Methoden zur Messung der Lichtgeschwindigkeit und Aspekte zur Konstanz der Lichtgeschwindigkeit

Staatsexamensarbeit von Birgit Bender

Einleitung:

Der dänische Astronom Olaf Römer (1644-1710) fand als erster Wissenschaftler konkrete Anhaltspunkte für eine endliche Geschwindigkeit des Lichtes. Im Jahre 1676 ermittelte er die Lichtgeschwindigkeit aus astronomischen Beobachtungen des Planeten Jupiter und dessen Mond Io. Römer gab die Fortpflanzungsgeschwindigkeit des Lichtes mit etwa 214.000 km/s an., , Mit dieser Angabe lag er um fast 86.000 km/s bzw. um ca. 29% unter dem heutigen offiziellen Wert von 299.792,458 km/s.

Die heutige Hochtechnologie hat den Wert der Lichtgeschwindigkeit so exakt bestimmt, dass im Oktober 1983 die Verfahrensweise umgekehrt werden konnte. Statt die Lichtgeschwindigkeit zu messen, misst man heute mit der Lichtgeschwindigkeit! Die XVII. internationale Generalkonferenz für Maße und Gewichte beschloss, dass der Meter die Länge der Stecke ist, die das Licht im Vakuum während der Dauer von exakt Sekunden durchläuft. Die Lichtgeschwindigkeit ist damit seit 1983 das neue Längennormal und per Definition auf den oben genannten Wert festgelegt. Das neue Längennormal ist wesentlich genauer als seine Vorgänger, das Urmeter und die Wellenlängendefinition von 1960. Es definiert die Basiseinheit Meter indirekt über die Zeitmessung, die heute mit Hilfe von Atomuhren mit einer kaum fassbaren Genauigkeit von 10-14 Sekunden erfolgen kann, viel genauer als die Messung der Länge einer Strecke. Die neue Meterdefinition macht sich diese extreme Präzision der Zeitmessung zunutze, indem sie die hohe Genauigkeit der Zeitmessung mittels der Lichtgeschwindigkeit auf die Längenmessung überträgt. Die Neudefinition des Meters ist, wie sich später herausstellen wird, eine direkte Anwendung der Universalität der Lichtgeschwindigkeit und damit der Relativitätstheorie.

Durch die neue Meterdefinition ist die Messung von c nur noch von historischem Interesse, da die Lichtgeschwindigkeit selbst die Längeneinheit Meter definiert, in der vor 1983 die Lichtgeschwindigkeit gemessen wurde. Eine Präzisionsmessung der Lichtgeschwindigkeit liefert in Zukunft also nicht mehr zusätzliche Informationen bezüglich der Lichtgeschwindigkeit, sondern hilft, die Längeneinheit Meter noch genauer festzulegen. Die Festlegung der Lichtgeschwindigkeit hat ebenfalls zur Folge, dass es keinen Sinn macht, die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichtes genauer als auf einen Meter in der Sekunde, womöglich auf Zentimeter oder Millimeter, anzugeben., Diese Arbeit soll zeigen, wie langwierig der Weg bis zu einer so genauen Definition der Lichtgeschwindigkeit war und wie die Ermittlung der Lichtgeschwindigkeit andere wichtige physikalische Erkenntnisse nach sich zog. Es soll aufgezeigt werden, wie die Lichtgeschwindigkeit ermittelt wurde, als den Wissenschaftlern noch keine komplizierte Labor- und Messtechnik zur Bestimmung der unvorstellbar schnellen Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichtes zur Verfügung stand, und wie trotzdem die Lichtgeschwindigkeit schon im vorigen Jahrhundert mit erstaunlicher Genauigkeit ermittelt werden konnte. Darüber hinaus sollen die neueren, noch genaueren Methoden zur Ermittlung der Lichtgeschwindigkeit vorgestellt werden, die ein anderes Phänomen zutage treten ließen, nämlich die Konstanz der Lichtgeschwindigkeit und damit die Phänomene der Relativitätstheorie. Diese sogenannte Konstanz der Lichtgeschwindigkeit gab den Physikern im vorigen Jahrhundert kaum zu lösende Rätsel auf. Sie konnten nicht erklären, warum sich ein Lichtstrahl, obwohl es sich hierbei nach damaliger Vorstellung ausschließlich um eine Wellenerscheinung handelte, immer mit der gleichen Geschwindigkeit ausbreitet, unabhängig davon, ob sich die Lichtquelle bewegt oder in welche Richtung des Raumes das Licht in bezug auf ein hypothetisches Trägermedium abgestrahlt wird. Eine Erklärung dieser Phänomene konnte erst am Anfang unseres Jahrhunderts durch Albert Einstein und seine spezielle Relativitätstheorie gegeben werden, in der die Lichtgeschwindigkeit eine zentrale Rolle spielt und sich als Grenzgeschwindigkeit darstellt, die kein materieller Körper je erreichen kann.

Heute ist die Lichtgeschwindigkeit, mit der man synonym auch die Ausbreitungsgeschwindigkeit aller übrigen elektromagnetischen Wellen bezeichnet, eine der physikalischen „Fundamentalkonstanten“. Die sogenannten Fundamentalkonstanten treten in den grundlegenden Gesetzen der Physik auf und dienen somit als Maß für die zahlenmäßige Ermittlung der Naturabläufe. Die Fundamentalkonstanten werden durch experimentelle Untersuchungen unter Zugrundelegung eines frei gewählten Maßsystems gewonnen.

Für unsere heutige technische Zivilisation weist die Lichtgeschwindigkeit als Naturkonstante viele praktische Anwendungsfelder auf. Die genaue Kenntnis der Lichtgeschwindigkeit erlaubt es uns unter anderem, das Längennormal (Meter) und abgeleitete Größen mit größter Genauigkeit festzulegen, Radarüberwachungen der Luft- und Raumfahrt durchzuführen, genaue Landvermessungen durchzuführen, Satellitennavigation in der Schifffahrt zu ermöglichen, die zeitgenaue Steuerung von Raumsonden über große Entfernungen zu realisieren und in der Astronomie die Abstände und Bahnen der Planeten und ihrer Monde mit Radarwellen äußerst genau zu vermessen.

Heute wissen wir, dass die Lichtgeschwindigkeit nicht nur Ausdruck für die bloße Ausbreitungsgeschwindigkeit elektromagnetischer Wellen ist, sondern auch eine entscheidende Rolle für die Struktur von Raum und Zeit spielt.

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