Nichts ist schneller als das Licht. Mit rund 300.000 Kilometer pro Sekunde (Der genaue Wert im Vakuum ist c=299.792 Kilometer pro Sekunde, das entspricht 1.079.251.200 Kilometer pro Stunde.) ist die Lichtgeschwindigkeit das absolute Limit, sowohl für Materie als auch für Strahlung und Information. Das Erstaunliche ist jedoch nicht die Größe, sondern dass der Wert immer gleich bleibt, egal wie schnell sich die Lichtquelle oder der Beobachter bewegt.
Was das heißt, wird an folgendem Beispiel klar:
Man wirft aus dem Stand einen Apfel mit 30 Kilometern pro Stunde nach vorne. Der Apfel fliegt dann mit 30 Stundenkilometern. Jetzt setzt sich man ins Auto und fährt mit einer Geschwindigkeit von 50 Stundenkilometern. Wieder wirft man einen Apfel nach vorne. Der Apfel flitzt dann mit 50+30=80 Stundenkilometern über die Straße.
Soweit so gut. Leuchtet man aus dem Stand mit einer Taschenlampe nach vorne, bewegt sich das Licht mit 300.000 Kilometern pro Sekunde. Nun führt man dieses Experiment wie oben im Auto aus, fährt also mit einer Geschwindigkeit von 50 Stundenkilometern und leuchtet mit der Taschenlampe nach vorne. Das Licht rast jedoch nicht mit Lichtgeschwindigkeit +50 Stundenkilometern dahin, sondern nach wie vor mit 300.000 Kilometern pro Sekunde.
Es ist außerdem gleichgültig, ob die Lichtgeschwindigkeit vom Auto aus gemessen wird oder vom Straßenrand, der Wert bleibt immer gleich.
Die Konstanz der Lichtgeschwindigkeit wurde zuerst im Jahre 1887 im so genannten Michelson-Morley-Experiment nachgewiesen. Es war jedoch lange unklar, wie diese Tatsache zu deuten sei und welche Konsequenzen sich daraus ergaben. Erst Albert Einstein zeigte mit seiner Speziellen Relativitätstheorie einen Ausweg aus dem Dilemma. Und er machte deutlich, welche Auswirkungen diese Unveränderlichkeit hat: Sowohl die Zeit als auch der Raum verlieren ihre absolute Bedeutung. Die Zeit verläuft mit zunehmender Geschwindigkeit immer langsamer (Eine Uhr auf Reisen) und ein Gegenstand der sich mit fast Lichtgeschwindigkeit bewegt erscheint einem ruhenden Beobachter verkürzt.
Das Michelson-Morley-Experiment:
Bereits seit Beginn des 19. Jahrhunderts wusste man, das Licht aus Wellen besteht. Alle anderen bekannten Wellen waren stets an ein Medium gebunden. Schall breitet sich in z.B. Luft aus, Wasserwellen im Wasser. Daher nahm man an, dass auch das Licht an irgendeine Form von Medium gebunden war, das offensichtlich unsichtbar war. Dieses Medium wurde Lichtäther genannt. Es wurde angenommen, dass sich der Äther selbst in absoluter Ruhe befindet und sich jeder Körper, also auch die Erde, mit einer bestimmten Geschwindigkeit relativ dazu bewegt. Die beiden Physiker Albert Abraham Michelson und Edward Williams Morley wollten 1887 die Geschwindigkeit der Erde in diesem Äther mit Hilfe von Lichtstrahlen bestimmen. Dafür bauten sie ein äußerst genaues Messinstrument, ein so genanntes Interferometer. Die Idee dahinter: Die Geschwindigkeit des Lichtes wird in zwei verschiedene Richtungen gemessen, einmal in Bewegungsrichtung und einmal senkrecht dazu. Das Licht, das sich in dieselbe Richtung bewegt wie die Erde sollte schneller sein als das Licht senkrecht dazu. Doch so sorgfältig die beiden Forscher ihre Messungen auch ausführten, sie konnten keinen Unterschied in der Geschwindigkeit festellen. Die Lichtgeschwindigkeit blieb konstant.
Die einzige mögliche Erklärung die auf der Hand lag war, dass sich die Erde in Bezug auf den Äther nicht bewegt, aber das wäre ein zu großer Zufall gewesen. Eine schlüssige Deutung wurde erst zwei Jahrzente später von Albert Einstein gefunden, die Spezielle Relativitätstheorie. Das Michelson-Morley-Experiment ist wahrscheinlich das bedeutenste missglückte Experiment in der Geschichte der Wissenschaft.
Ulrich Grünewald
Re: Zeit und Licht
Eine Fahrt mit Lichtgeschwindigkeit
Obwohl die Lichtgeschwindigkeit sehr hoch ist, ist sie doch begrenzt auf rund 300.000 Kilometer pro Sekunde. Das bedeutet u.a. dass das Licht nicht an jedem Ort gleichzeitig sein kann, sondern eine gewisse Zeit benötigt um von einem Ort zu einem anderen zu kommen. Im Alltag fällt diese Verzögerung jedoch nicht auf, weil wir uns viel zu langsam bewegen.
Aber was wäre, wenn die Lichtgeschwindigkeit viel langsamer wäre, sagen wir 40 Kilometer pro Stunde? Dann würde sich die Relativitätstheorie bereits bei einer normalen Autofahrt bemerkbar machen.
Im Computer lässt sich diese Situation ansatzweise simulieren. Normalerweise bewegt man sich dabei durch abstrakte Computerlandschaften, doch wir wollten wissen, wie eine reale Fahrt aussehen würde. Um das herauszufinden haben wir eine Überfahrt über die Köln Deutzer Brücke gefilmt und anschließend die relativistischen Perspektive der Bilder per Computer berechnen lassen.
Normalerweise sieht diese Überfahrt wie im Linken Film aus: Das Licht rast mit 300.000 Kilometern pro Sekunde, wir tuckern dagegen mit knapp 40 Kilometern pro Stunde über die Straße.
Fahrt über die Deutzer Brücke..
Fahrt bei annähernder Lichtgeschwindigkeit
Was geschieht nun, wenn wir am Tacho des Lichtes drehen (rechter Film)? Wieder fahren wir mit knapp 40 Stundenkilometern, doch diesmal bremsen wir das Licht auf ebenfalls 40 Stundenkilometer. Das bedeutet wir bewegen uns in dieser simulierten Welt jetzt mit 90 Prozent der Lichtgeschwindigkeit.
Zwei Effekte fallen ins Auge:
Zum einen ist das Blickfeld wesentlich größer. Das heißt wir sehen auf einmal viel mehr von der Umgebung. Der Bereich der vorher unser gesamtes Blickfeld eingenommen hat, ist jetzt nur noch ein kleiner Teil des Gesamtbildes. Dadurch wirken z.B. die Gebäude deutlich kleiner, es entsteht der Eindruck, wir würden uns von dem anderen Ufer entfernen, obwohl wir uns darauf zu bewegen.
Zum anderen biegen sich alle Gegenstände die senkrecht zu unsere Bewegung sind, zum Beispiel die Laternen, aber auch der Rhein. Alle Linien in Bewegungsrichtung, also die Linien die auf das andere Ufer zulaufen, bleiben dagegen kerzengerade, wie zum Beispiel die Straßenbahnschienen. Um zu verstehen wie diese Krümmung zu Stande kommt, betrachten wir einmal einen Schnappschuss der Szene:
Eine ehemals gerade Laterne ist nun gebogen, denn das Licht von ihrem oben Ende hat einen längeren Weg zu uns, erreicht uns also später als das Licht des Laternenpfahls auf unserer Höhe. Während dieser Zeit haben wir uns jedoch schon ein Stück weiterbewegt, die Spitze der Laterne scheint dann an einer anderen Position als das Mittelstück. Insgesamt wirkt die Laterne daher nach hinten gekrümmt. (Die beiden schwarzen Balken oben und unten im Bild sind übrigens kein relativistischer Effekt. Normalerweise würde man hier ebenfalls die Straße bzw. den Himmel sehen. Die begrenzte Kameraauflösung lieferte dort jedoch kein Bild.)
Um die beiden dominierenden Effekte herauszustellen, haben wir bei unserer Fahrt mit 90 Prozent der Lichtgeschwindigkeit nicht alle Auswirkungen der Relativitätstheorie berücksichtigt. Und natürlich hätte die Verlangsamung des Lichts auch Konsequenzen auf ganz andere Bereiche des Lebens, die wir hier ebenfalls außer Acht gelassen haben. Würden wir uns in der realen Welt tatsächlich mit (annähernd) Lichtgeschwindigkeit bewegen, wäre das Bild fast komplett schwarz.
Re: Zeit und Licht
Einstein und das Problem der Zeit
Einsteins Vorhersagen
Im Alltag scheint es nichts einfacheres als das zu geben: der Blick auf die Uhr, das Zeitmessen. Zugegeben - die Präzision hat sich im Laufe der Jahrhunderte immer mehr verbessert. Von den Wasseruhren der Ägypter über die Pendeluhren und Chronometer auf den englischen Schiffen bis hin zu den heutigen Atomuhren hat sich die Präzision immer weiter heraufgeschraubt. Aber - so glaubt die Alltagserfahrung - der Gang einer Uhr hängt nicht davon ab, wie schnell sie sich bewegt oder wo sie sich gerade befindet... Einstein sagt genau das Gegenteil:
Uhren laufen langsamer, wenn sie sich bewegen (dies heißt "relativistische Zeitdilatation" und kommt aus der speziellen Relativitätstheorie) und
auch, wenn sie sich in der Nähe schwerer Körper befinden (dies nennt sich "relativistische Rotverschiebung" und wird in der allgemeinen Relativitätstheorie behandelt).
Zu beiden verblüffenden Phänomenen hat "Quarks&Co" jeweils ein Experiment gemacht. Denn Einstein liebte zwar die Gedankenexperimente, doch gerade die letzten beiden Jahrzehnte haben den Physikern erst die Möglichkeiten in die Hand gegeben, Einsteins "Gedankenexperimente" in die Wirklichkeit umzusetzen. Es sind "Nagelproben" der Einsteinschen Relativitätstheorie - auch wenn es ausgetüfteltere Versuchsaufbauten gibt, die Einstein wesentlich besser und genauer bestätigen. Alle diese Versuche haben aber den Nachteil, nicht so anschaulich zu sein, wie die von uns gemachten...
Voraussetzung - genaue Uhren
"Quarks"-Autor Heinz Greuling checkt die Präzisons-Uhr nach dem Flug mit dem Lufthansa Airbus
Erst seit etwa 1960 gibt es so präzis laufende Cäsiumuhren, die es erlauben, Einsteins Vorhersagen zu überprüfen. Denn: Die vorhergesagten Effekte lassen sich mit einer Taschenuhr nicht nachweisen, da braucht's genauere Uhren. Die "gesetzlichen Zeitmacher" in Deutschland benutzen solche Uhren, genauer die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig in ihrem Zeitlabor. Ihr Leiter, Dr. Andreas Bauch, hat uns mit seinen Mitarbeitern mit Rat und Tat zur Seite gestanden - sie liehen uns auch die Uhr, mit denen man überhaupt die vorhergeagten Effekte nachweisen kann. Dabei handelt es sich um die Cäsiumuhr von Hewlett-Packard HP 5071A high performance (auch hier unser besonderer Dank an Hewlett-Packard Deutschland). Sie läuft in 100.000 Jahren um eine Sekunde falsch - und misst Zeiten auf Nanosekunden genau, das sind Milliardstel Sekunden.
... ein Gefühl für Größenordnung
Der Lufthansa-Pilot Cord Becker begrüßt das "Quarks"-Team und die Uhr
So unverständlich die beiden Zeit-Phänomene (Zeitdilatation und Rotverschiebung) sind, kann man trotzdem sehr einfach ein Gefühl für die Größenordnung und Relevanz dieser relativistischen Effekte bekommen (Physiker machen das genauso): Es hängt nämlich immer von Größenordnungen ab.
Zeitdilatation und alle anderen Effekte wie die etwa die Lorentz-Längen-Kontraktion (s. "Eine Fahrt mit Lichtgeschwindigkeit"), oder die relativistische Massenzunahme (s. "Aus Masse wird Energie") hängen immer von Geschwindigkeitsverhältnissen ab.
Also: Wie schnell bewegt sich der betrachtete Gegenstand im Verhältnis zur Lichtgeschwindigkeit (=300.000 km pro Sekunde)? In unserem Uhrenexperiment fliegt der Airbus A340-300 etwa 830 km pro Stunde, verglichen mit 300.000km pro Sekunde ist das sehr wenig. Aber verglichen mit unseren normalen Alltagsgeschwindigkeiten - ist das fast nichts. Also erwartet ein Physiker auch keine relativistischen Effekte (sonst muss man eben - wie wir - superpräzise messen).
Dagegen hängt die relavistische Rotverschiebung ab von Massen- und Größenverhältnissen. Physiker benutzen dabei eine Hilfsgröße, den so genannten Schwarzschildradius. Je schwerer ein Körper ist, umso größer ist der Schwarzschildradius. Für die Erde beträgt er 9 Millimeter, für unsere Sonne ist er 3 Kilometer. Relativistische Effekte werden spürbar, wenn der Schwarzschildradius mit den Größenverhältnissen des betrachteten Gegenstandes vergleichbar wird.
Bei unserem Uhrenexperiment sind das: 9 Millimeter Schwarzschildradius der Erde verglichen mit der Höhendifferenz (also die Flughöhe) - wahrlich ein winziger Effekt! Unser Experiment - auf der Sonne durchgeführt - würde sich erheblich einfacher gestalten - abgesehen von den etwas unwirtlichen Temperaturen...
"Quarks&Co" machte die Nagelprobe und schickte in einem aufwendigen Experiment die Cäsiumuhr aus Braunschweig über den Atlantik hin- und zurück. Am 28. Oktober flog der Autor und Physiker Heinz Greuling mit dem Präzisonschronometer im Lufthansa-Flug LH 420 von Frankfurt nach Boston und direkt wieder zurück mit dem Flug LH 421. Die Lufthansa und die Piloten Cord Becker und Gerd Becker und ihre Crews und der Technische Leiter Otto Hamann machten damit etwas möglich, was sonst nicht hätte verwirklicht werden können: direkt nachzuvollziehen, ob einer, der eine Reise tut, dabei jünger wird. Und tatsächlich: ganz wie vorgesagt, zeigte sich beim anschließenden Uhrenvergleich in Braunschweig eine Zeitdifferenz von 28 Milliardstel Sekunden.
Die Atomuhr auf dem Kölner Dom
Die superpräzise Cäsiumuhr in hundert Metern Höhe im Nordturm des Kölner Domes
In diesem Experiment deponierte "Quarks&Co" die Braunschweiger Atomuhr für eine Woche auf dem Kölner Dom. Der Dompropst Bernard Henrichs und die Frau Dombaumeister Prof. Dr. Barbara Schock-Werner gaben ihr "placet et nihil obstat" - sie waren selbst gespannt, ob Einstein Recht hat: Würde die "dem Himmel nähere" Uhr schneller laufen als eine in Braunschweig niedrig gelegenere Uhr? Für eine Woche brachte der Autor und Physiker Heinz Greuling die Cäsiumuhr in die luftige Höhe des den Touristen nicht zugänglichen Nordturms der Kölner Kathedrale und ließ sie dort anderthalb Wochen (bei einem Höhenunterschied von knapp achtzig Meter zu Braunschweig) ticken. Der anschließende Uhrenvergleich in Braunschweig mit der Schwesteruhr ergab tatsächlich eine Zeitdifferenz von 7 Milliardstel Sekunden (genau wie Einstein es erwartet hätte): die höher gelegene Uhr war also wirklich und messbar um 7 Nanosekunden gealtert...
Heinz Greuling
Re: Zeit und Licht
Zeit ist die fundamentale, messbare Größe, die zusammen mit dem Raum das Kontinuum bildet, in das jegliches materielle Geschehen eingebettet ist. Sie gestattet es, kausal verknüpfbaren Ereignissen und Handlungen eine Reihenfolge zuzuordnen.
Das menschliche Empfinden von Zeit ist von ihrem Vergehen geprägt, einem Phänomen, das sich bisher einer naturwissenschaftlichen Beschreibung entzieht und als Fortschreiten der Gegenwart von der Vergangenheit kommend zur Zukunft hin wahrgenommen wird.
Der Zeitbegriff hängt eng mit dem Kausalitätsbegriff zusammen. So betrachten wir es als selbstverständlich, dass die Ursache vor ihrer Wirkung auftritt. Die Vergangenheit ist unveränderlich, sie kann nicht von gegenwärtigen Ereignissen beeinflusst werden. Die Zukunft hingegen hängt von der Gegenwart kausal ab, kann also durch Ereignisse oder Handlungen in der Gegenwart beeinflusst werden.
In der Relativitätstheorie wird die zeitliche Reihenfolge mancher Ereignisse, die an verschiedenen Orten stattfinden, von relativ zueinander bewegten Beobachtern unterschiedlich beurteilt. Das ist genau dann der Fall, wenn die beiden Ereignisse nur durch ein Signal mit Überlichtgeschwindigkeit in Kontakt treten könnten. Könnte eine Wechselwirkung mit Überlichtgeschwindigkeit stattfinden, dann könnte man mit folgendem System eine Botschaft in die Vergangenheit schicken:
Das Signal wird mit Überlichtgeschwindigkeit an eine weit genug entfernte Relaisstation geschickt.
Diese beschleunigt konventionell vom ursprünglichen Sender weg (alternativ: sie überträgt es konventionell auf eine weitere, sich vom Empfänger weg bewegende Relaisstation, z.B. die andere Seite einer rotierenden Plattform). Dadurch wird das Absendeereignis aus der Vergangenheit in die Zukunft verschoben.
Schließlich wird das Signal wieder mit Überlichtgeschwindigkeit zurückgesendet. Sind die beteiligten Geschwindigkeiten hoch genug, so kommt das Signal vor dem Aussenden des Ursprungssignals an.
Daher wäre das Kausalitätsprinzip verletzt. Mitte des 20. Jahrhunderts wurde vermutet, dass es überlichtschnelle Tachyonen geben könnte. Sollten sie mit gewöhnlicher Materie in Wechselwirkung treten können, so wäre die Kausalität verletzt. Die Hypothese der Existenz von Tachyonen hat daher kaum Anhänger.
