Optik

Lichtgeschwindigkeit

Nichts im Universum ist schneller als die Lichtgeschwindigkeit. Was es mit dieser besonderen Größe auf sich hat und wie du überhaupt die Geschwindigkeit von Licht messen kannst, das erfährst du hier.

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Inhaltsübersicht

Lichtgeschwindigkeit einfach erklärt

Die Lichtgeschwindigkeit c ist wohl eine der wichtigsten, grundlegenden Konstanten in der Physik. Sie ist exakt definiert als, 299 792 458 Meter pro Sekunde (das sind in etwa 300 000 Kilometer pro Sekunde). Das heißt also, dass Licht in einer Sekunde eine Strecke von 300 000 Kilometern zurück legt. Stellst du dich auf den Mond und Strahlst mit einer starken Lichtquelle zur Erde, so braucht das Licht 1,25 Sekunden bevor es hier gesehen wird.

Tatsächlich ist dieser Geschwindigkeitswert exakt, da nach internationaler Übereinkunft die Definition eines Meters aussagt, dass ein Meter der Länge entspricht, die Licht im Vakuum in \frac{1}{299792458} Sekunden zurücklegt.

Beachte aber, dass es sich hierbei wirklich nur um die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum handelt. Durchdringt Licht ein Medium, selbst wenn es nur Luft ist, wird diese Geschwindigkeit reduziert.

Merke

Die Lichtgeschwindigkeit c ist exakt als 299 792 458 Meter die Sekunde definiert. Nichts bewegt sich schneller als das Licht.

Wie schnell ist Lichtgeschwindigkeit?

Es ist nur schwer Vorstellbar wie schnell Lichtgeschwindigkeit ist. Am besten veranschaulichst du dir das im Verhältnis zu Geschwindigkeiten die dir besser vertraut sind. Betrachten wir mal in der nächsten Tabelle, wie schnell andere Dinge aus unserem Alltag im Vergleich zur Lichtgeschwindigkeit sind. 

Objekt Geschwindigkeit in m/s (gerundet)
Mensch 10
Rennwagen 100
Schallwellen 343
Überschallflugzeug 400
Licht 300 000 000

Allerdings handelt es sich hierbei um die Vakuumlichtgeschwindigkeit, also die Geschwindigkeit des Lichtes im luftleeren Raum (z.B. das Weltall). Bewegt sich das Licht in einem Medium wie Luft, verringert sich dessen Geschwindigkeit teilweise erheblich. 

Die Lichtgeschwindigkeit ist das Geschwindigkeitsmaximum von jeglicher Materie und Information. Auf herkömmlichen Wegen, ist nichts schneller als die Vakuumlichtgeschwindigkeit c. Das bedeutet also, dass nicht nur Licht sondern alles dieser Geschwindigkeitsbegrenzung unterliegt. Darunter fallen zum Beispiel auch elektromagnetische Strahlungen und Gravitationswellen. Derartige Wellen und Teilchen bewegen sich mit Lichtgeschwindigkeit, unabhängig von der Geschwindigkeit und Richtung ihrer Quelle. Das gilt auch für ein sich bewegendes Objekt. Fährt zum Beispiel ein Zug mit eingeschaltetem Licht, bewegt sich das Licht trotzdem mit Lichtgeschwindigkeit, egal wie schnell sich der Zug bewegt. Teilchen und Materie deren Masse nicht Null ist können sich zwar der Lichtgeschwindigkeit annähern, aber diese niemals erreichen.

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Lichtgeschwindigkeit und Quelle

Lichtgeschwindigkeit c Vakuum

In durchsichtigen Medien wie Luft oder Glas, bewegt sich Licht langsamer als die Vakuumlichtgeschwindigkeit. Gleiches gilt für elektromagnetische Wellen in Leitern. Diese bewegen sich auch langsamer als Lichtgeschwindigkeit. Dieses Verhältnis von der Lichtgeschwindigkeit c zur Geschwindigkeit im Medium v heißt BrechungsindexVideoverweis Brechungsindex n= c/v

Lichtgeschwindigkeit c Luft

In Luft ist dieser Brechungsindex für sichtbares Licht 1,0003. Daher bewegt sich Licht in Luft ungefähr 90 Kilometer pro Sekunde langsamer als im Vakuum.

\frac{c}{1,0003} \approx 299910 km/s

Lichtgeschwindigkeit c in Wasser

In Wasser beträgt der Brechungsindex ungefähr 1,3. Die Geschwindigkeit des Lichtes reduziert sich somit auf ungefähr 230 769 Kilometer pro Sekunde.

\frac{c}{1,3} \approx 230769 km/s

Lichtgeschwindigkeit c in Glas

In Glas beträgt der Brechungsindex 1,5. Berechnest du das wie zuvor erhältst du eine Geschwindigkeit von ungefähr 200 000 Kilometer pro Sekunde.

\frac{c}{1,5} \approx 200000 km/s

Lichtgeschwindigkeit Messung

Schaltest du zuhause das Licht ein, kommt es dir vor, als würde das Licht unmittelbar den Raum ausfüllen. Betrachtest du es jedoch über sehr lange Strecken und mit besseren Messgeräten als deinem bloßen Auge, wird die endliche Geschwindigkeit des Lichtes deutlich. 

Es gibt viele solcher Experimente. Ein interessantes benutzt jedoch unseren Mond als Ziel.

Stell dir vor du stellst einen Spiegel auf die Mondoberfläche. Nun benutzt du einen Laser um Licht von der Erde auf diesen Spiegel zu strahlen und wartest wie lange es dauert bis du das reflektierte Licht siehst. Erst nach ungefähr 2,5 Sekunden siehst du den Spiegel aufblitzen.
Wie schnell v_{Licht} bewegt sich also dein Laserlicht?

Das kannst du berechnen. Der Mond ist 384 400 Kilometer von der Erde entfernt. Diese Strecke muss dein Laserlicht zweimal überbrücken. Einmal um von dir zuhause zum Mond zu kommen und dann noch einmal um vom Mond zurück zu dir zu gelangen. Für diese Strecke braucht der Laser 2,5 Sekunden.

v_{Licht}=\frac{Strecke}{Laufzeit}=\frac{2 \cdot 384400 \, km}{2,5 \, s}=307520 \, \frac{km}{s}

Das entspricht nicht ganz dem eigentlichen Wert von ungefähr 300 000 Kilometern pro Sekunde, ist jedoch sehr nahe dran. Mit genaueren Messinstrumenten ist es dir möglich die Lichtgeschwindigkeit präziser zu ermitteln. 

Von der Sonne zur Erde braucht Licht übrigens noch länger. Das Licht das von der Sonne emittiert wird, braucht 8 Minuten und 20 Sekunden um bei uns auf der Erde anzukommen.

Lichtgeschwindigkeit Formel

Nun hast du gesehen, dass die Geschwindigkeit mit Metern die Sekunde aber auch mit Kilometern die Sekunde, beziehungsweise Kilometern pro Stunde angegeben wird. Mit einfachen Rechnungen ist es dir selbst möglich die Werte zu den entsprechenden Einheiten zu überführen. 

Damit es einfacher zu rechnen ist, runden wir auf und sagen die Geschwindigkeit des Lichtes beträgt 300 000 000 Meter die Sekunde (300 000 000 m/s).

Lichtgeschwindigkeit in km/s

Die Umrechnung in Kilometer pro Sekunde ist relativ einfach. Ein Kilometer hat 1000 Meter. Du weißt, dass dein Licht mit 300 000 000 Metern in der Sekunde propagiert. 

\frac{300000000\, m}{1000}=300000 \, km

Das heißt in einer Sekunde propagiert dein Licht 300 000 Kilometer.

Lichtgeschwindigkeit in km/h

Jetzt weißt du wie weit dein Licht in einer Sekunde kommt. Nun musst du das nur noch auf die Stunden hochrechnen. Eine Stunde hat 60 Minuten. Eine Minute hat 60 Sekunden.

60 \cdot 60 \, s=3600 \, s

Eine Stunde hat also 3600 Sekunden. 
Damit du nun die Geschwindigkeit in Kilometer pro Stunde berechnen kannst, musst du mit 3600 erweitern. Aus der Bruchrechnung kennst du das sicherlich. Deine Geschwindigkeit ist ein Bruch \frac{Kilometer}{Sekunde}

\frac{300000 \, km \cdot 3600}{1 \, s \cdot 3600} = \frac{1080000000 \, km}{3600 \, s}=1080000000 \, \frac{km}{h}

Licht bewegt sich im Vakuum also mit ungefähr 1.080.000.000 km/h (Kilometer pro Stunde).

Lichtgeschwindigkeit in der Elektrodynamik

Die klassische Physik beschreibt Licht als eine Art elektromagnetischer Welle. Zudem beschreiben die Maxwell-Gleichungen das klassische Verhalten elektromagnetischer Wellen. Diese sagen vorher, dass die Lichtgeschwindigkeit der elektromagnetischen Wellen im Vakuum mit der verteilten Kapazität und Induktivität des Vakuums zusammenhängt. Diese werden respektive über die Permittivität des Vakuums \epsilon_0 und die Permeabilität \mu_0 ausgedrückt.

c=\frac{1}{\sqrt{\epsilon_0 \cdot \mu_0}}

In der modernen Quantenphysik beschreibt die Theorie der Quantenelektrodynamik (QED) das elektromagnetische Feld. Hierin ist Licht eine fundamentale Anregung (auch ein Quant genannt) des elektromagnetischen Feldes. Diese Anregung nimmt die Form eines Photons an. Im Rahmen der QED sind Photonen masselose Teilchen. Daher bewegen diese sich auch, entsprechend der speziellen Relativitätstheorie, mit Lichtgeschwindigkeit durch das Vakuum.

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