Schneller als das Licht ist Niemand – oder doch?

1. Einstein für alle: Was ist Lichtgeschwindigkeit?

Lichtgeschwindigkeit ist eine physikalische Konstante, die gemeinhin mit „c“ abgekürzt wird. Sie bezeichnet die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Lichtwellen in einem Vakuum. Abgesehen von dem Licht selbst ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit auch bei anderen elektromagnetischen Wellen, wie beispielsweise Mikrowellen, Gravitationswellen, Radiowellen. Elektromagnetische Wellen werden erzeugt, wenn eine Ladung beschleunigt wird, wie es beispielsweise in einem Synchrotron der Fall ist. Die Lichtgeschwindigkeit bemisst sich auf 299.792.458 m/s . Das bedeutet, dass das Licht in einer Sekunde sieben Mal die Erde umrundet.

Die Lichtgeschwindigkeit lässt sich unterteilen in die Lichtgeschwindigkeit in einem Vakuum und die Lichtgeschwindigkeit in einem Medium, die geringer ist, als die Vakuumlichtgeschwindigkeit. Jedoch ist die Lichtgeschwindigkeit nicht von der Geschwindigkeit der Lichtquelle selbst abhängig noch von der Bewegung des Lichtempfängers. Diese Thesen stützen sich auf die Maxwellschen Gleichungen der Elektrodynamik und die Einstein’sche Relativitätstheorie.

Die Gesetze der Relativitätstheorie machen es einem festen Körper unmöglich, sich schneller als die Lichtgeschwindigkeit zu bewegen. Das ist darauf zurückzuführen, dass die Masse eines massebehafteten Körpers mit erhöhter Geschwindigkeit ins Unendliche anwächst. Zeit, Raum und Licht stehen ebenfalls in Relation zueinander. Wenn man also das Beispiel der Wikinger aus dem 11. Jahrhundert nehmen würde, die eine Zugfahrt antreten, die fast mit Lichtgeschwindigkeit stattfindet, dann würde sich folgendes ergeben: Die Zeit „faltet“ sich für die Passagiere im Zug. Das bedeutet, dass für sie die Zeit relativ gesehen, verglichen mit der Umwelt außerhalb des Zuges langsamer vergeht. Wenn der Zug fast so schnell vorankommt, wie das Licht, könnte auf diese Art für die Wikinger eine Zukunftsreise in unsere Zeit möglich sein – für die Wikingerkrieger im Zug wäre dabei vielleicht ein Jahr und für ihre Umwelt viele Jahrhunderte vergangen. Das wäre sicher eine lustige Begegnung, die aber nicht zuletzt daran scheitert, dass die Erfindung des Zuges wesentlich später kam. Diese Zeitdilation, wie sie Einsteins Relativitätstheorie postuliert, ist auch anhand der Zerfalldauer der Myonen nachweisbar. Myonen sind negativ geladene Teilchen und Bestandteil der kosmischen Strahlung. Sie sind mit Elektronen vergleichbar, jedoch ist ihre Masse ungleich größer als die eines Elektrons. Die Myonen erreichen in Form von sekundärer kosmischer Strahlung die Erde. Diese ist auch als „Höhenstrahlung“ bekannt geworden. Die Myonen müssten aufgrund ihrer atomaren Zusammensetzung sich bereits in 1,5 Mikrosekunden spalten. Das bedeutet, dass sie bereits nach 450 Metern Wegstrecke zerfallen müssten. Aufgrund ihrer zur Erde relativen Geschwindigkeit können sie allerdings von der oberen Atmosphäre her die Erde erreichen, da die Zeit für sie wesentlich langsamer vergeht.

2. Die Lichtgeschwindigkeit im Auge der Zeit: Ihre Entdeckungsgeschichte

Bereits in der Antike gab es Kontroversen darüber, ob es eine Lichtgeschwindigkeit gibt oder nicht. Aristoteles war der Ansicht, dass Licht auf die reine physikalische Präsenz von Objekten zurückzuführen sei. Empedokles jedoch postulierte, dass auch das Licht eine Geschwindigkeit haben müsse. Weiterhin glaubte man im Altertum, dass das Licht vom Auge her ausgehe – daher kommt auch das geflügelte Wort „Das Augenlicht verlieren“. Um das Jahr 1000 waren persische Wissenschaftler jedoch ebenfalls der Meinung, dass Licht eine endliche, bestimmbare Geschwindigkeit haben müsse. Zur Zeit der Aufklärung hingegen postulierte Descartes, dass die Lichtgeschwindigkeit unendlich sein müsse.

Den ersten Versuch zur Messung der Lichtgeschwindigkeit nahm Galileo Galilei um 1620 mithilfe mehrerer Laternen vor, die er abwechselnd abdecken und von der Distanz aus betrachten ließ. Er konnte aber nur mutmaßen, dass die Lichtgeschwindigkeit mindestens mehrere Kilometer pro Sekunde betragen müsse. Er fand anhand eines anderen Experimentes heraus, dass Licht sich mindestens zehnmal so schnell wie Schall ausbreiten müsse.

Den ersten Beweis für die Endlichkeit der Lichtgeschwindigkeit erbrachte 1675 der Däne Ole Roemer. Er stellte fest, dass sich die Zeitpunkte der Eklipsen der Jupitermonde relativ zur Position von Erde und Jupiter verhielten. Daraus leitete er ab, dass es das Licht sein musste, welches je nach Distanz der Erde zum Jupiter zeitlich gesehen längere oder kürzere Zeiträume benötigte. Aufgrund dessen konnte er beweisen, dass die Lichtgeschwindigkeit eine Fixgröße haben musste. Er nutzte die damalige Annahme über den Durchmesser der Umlaufbahn der Erde und kam zu dem Rückschluss, dass sich das Licht circa 213.000 Kilometer pro Sekunde bewegen musste.

1728 schätzte der Physiker James Bradley die Lichtgeschwindigkeit auf circa 301.000 Kilometer pro Sekunde. Er kam auf diesen Wert aufgrund der Tatsache, dass sich die relative Position der Sterne aufgrund der Bewegung der Erde um die Sonne verändert. Anhand dieser relativen Bewegung der Gestirne konnte er nachweisen, wie groß die Lichtgeschwindigkeit sein musste, mit der sich die Erde um die Sonne bewegt.

Durch die beiden Franzosen Fizeau und Foucault im 19. Jahrhundert gelang es, das erste Mal die Lichtgeschwindigkeit auf der Erde zu messen. Darauf soll im Folgenden noch genauer eingegangen werden. Seit dem 17. Jahrhundert war man in den Naturwissenschaften der Meinung, dass die Atmosphäre von einer Art feinen Materie von geringer Dichte durchdrungen sein musste, dem Äther. In diesem Äther seien Körper in der Lage, sich reibungsfrei zu bewegen. Michelson und Morley bemühten sich noch 1881, Experimente mit einem Spektrometer durchzuführen, die die Existenz des Äthers bestätigen würden. Diese Experimente gelangten aber stattdessen zum Ergebnis, dass egal in welcher Art von System die Lichtgeschwindigkeit gleich ist. Einstein stützte sich später auf diese Ergebnisse, um seine Theorien weiter ausarbeiten zu können. Auch Maxwell, der die wichtige Entdeckung machte, dass sich Licht als elektromagnetische Welle ausbreitete, verortete diese Wellen noch im Äther. Albert Einstein war 1905 der Erste, der die bis dahin gängige Annahme des Äthers nicht weiterführte und stattdessen postulierte, Lichtgeschwindigkeit sei eine Naturkonstante im Vakuum. 1927 schließlich gelang es Michelson mit der Drehspiegelmethode, die auch Foucault verwendete, die Lichtgeschwindigkeit auf 299796 ± 4 km/s zu bestimmen. Wie aber fanden diese Messungen der Lichtgeschwindigkeit statt? Der folgende Punkt gibt darüber Auskunft.

3. Die Vermessung des Lichts: Wie ist das überhaupt möglich?

Der französische Physiker Hippolyte Fizeau war im 19. Jahrhundert der Erste, dem es gelang, die Lichtgeschwindigkeit anhand eines wissenschaftlichen Experiments genauer zu messen. Er wählte eine Distanz zwischen seinen Versuchsstationen von 8.633 Metern.


Vor dem Beobachter befestigte er einen halbdurchlässigen Spiegel in einem bestimmten Wikel. Vor diesem stellte er in einer definierten Distanz ein Zahnrad mit 720 Zähnen auf. In 8.633 Meter Distanz stellte er einen weiteren Spiegel auf. Er fokussierte den Lichtstrahl auf den halbdurchlässigen Spiegel, der ihn dann durch das Zahnrad hindurch auf den weit entfernten Spiegel reflektierte. Durch dieselbe Lücke im Zahnrad wurde das Licht auch durch den halbdurchlässigen Spiegel in das Auge des Betrachters reflektiert. Wenn man nun das Zahnrad mit 12,6 Umdrehungen pro Sekunde drehte, dann kam es zu einer Verdunklung, da das Licht bei dieser Drehzahl einen Zahn des Zahnrades traf. Anhand dieser Werte konnte Fizeau die Lichtgeschwindigkeit auf 313.000 Kilometer pro Sekunde bestimmen.

Foucault, ein weiterer französischer Physiker, verbesserte Fizeaus Methode weiter. Er ersetze jedoch das Zahnrad durch einen Spiegel. Auch der Amerikaner Michelson nutzte 1927 diese Drehspiegelmethode. Damit kam er auf das bis dato genaueste Ergebnis: Er berechnet die Lichtgeschwindigkeit auf 299.796 ± 4 km/s. Mithilfe der Interferometrie wurden in den letzten Jahrzehnten Messungen zur Lichtgeschwindigkeit betrieben: Diese Technik nutzt die Interferenz von Wellen, um zu Ergebnissen zu gelangen. Seit dem Jahre 1983 gilt die Maßeinheit des Meters als die Distanz, die die Vakuumlichtgeschwindigkeit in 1/299.792.458 Sekunde zurücklegt.