Warum beträgt die Lichtgeschwindigkeit genau 299792458 Meter pro Sekunde, nicht mehr und nicht weniger?

Unabhängig davon, ob Sie professioneller Physiker sind oder nicht, ist die Relativitätstheorie ein beliebtes Gesprächsthema. Allerdings übersehen wir oft die experimentelle Geschichte hinter der Konstanten der Lichtgeschwindigkeit – sie hat eine lange Geschichte vor der Geburt der Relativitätstheorie; und bei der Entwicklung der Physik stehen Experimente oft an erster Stelle.

Dieser Artikel ist eine Einführung des Autors des Buches „Lichtgeschwindigkeit: Vom Zusammenbruch des Geozentrismus zur Geburt der Relativitätstheorie“.

Geschrieben von Xu Xiao

Die Leute sind immer neugierig: Warum beträgt die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum 299792458 Meter pro Sekunde? Da es sich hierbei nicht um eine präzise Zahl handelt und es sich anscheinend um einen experimentellen Wert handelt, stellt sich die Frage, warum sie nicht einmal einen Dezimalpunkt hat? Ist es wirklich so präzise?

„Physik ist historisch.“ Die beste Fußnote zu dieser Aussage ist die Erkennung und Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit.

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Obwohl der große antike griechische Ingenieur Heron von Alexandria einst behauptete, dass sich Licht unglaublich schnell ausbreitet, blieb seine Vorstellung von der Lichtgeschwindigkeit aufgrund des Fehlens entsprechender experimenteller Bedingungen im Stadium einer Vermutung.

Damit die Menschheit erstmals die Lichtgeschwindigkeit bestimmen konnte, waren eine Reihe technischer Voraussetzungen und vorherige Messergebnisse erforderlich.

Zuerst die Uhr.

Im Jahr 1584 fertigte Jost Bürgi für Tycho Brahe eine Uhr mit Kreuzhemmung an, die die Genauigkeit der Zeitmessung erheblich verbesserte. Dadurch gelang es Tycho, die genauesten astronomischen Beobachtungen seiner Zeit durchzuführen. Damals war die Bestimmung des Längengrads bei der Navigation durch die Zeit ein wichtiges Ziel der Menschen. Dieses Ziel ist zu einer enormen Quelle des Fortschritts in der Uhrentechnologie geworden.

Der zweite Aspekt ist die Beobachtungstechnologie, also die Entstehung des Teleskops.

Im Jahr 1611 richtete Galileo Galilei sein Teleskop auf Jupiter und beobachtete Veränderungen in Jupiters Satelliten. Insbesondere kam es auf Io immer alle 42,3 Stunden zu einer Finsternis.

Dies bedeutete auch, dass Galileo eine natürliche Uhr am Himmel entdeckt hatte.

Der zweite ist die Messung und Berechnung astronomischer Daten.

In den 1660er und 1680er Jahren nutzte Giovanni Cassini Galileos Entdeckung und andere astronomische Erkenntnisse, um die Entfernung zwischen Mars und Erde zu bestimmen und die Umlaufbahnen der Planeten im gesamten Sonnensystem zu berechnen.

Gerade aufgrund dieser Voraussetzungen hatte der Mensch erstmals die Möglichkeit, die Lichtgeschwindigkeit abzuschätzen.

Als Cassinis Assistent beobachtete Ole Rømer lange Zeit die Finsternisse von Io und stellte fest, dass ihre Periode nicht festgelegt war. Er erklärte diese Unsicherheit mit der Annahme, dass die Lichtgeschwindigkeit endlich sei. Christiaan Huygens schätzte die Lichtgeschwindigkeit auf 220.000 km/s, basierend auf Rømers Daten und der relativen Entfernung zwischen Jupiter und Erde zu verschiedenen Zeiten. Obwohl diese Daten ziemlich ungenau sind, kann man aus der Perspektive physikalischer Experimente sagen, dass zumindest die Schätzung der Größenordnung richtig ist. Im Vergleich zu Hero ist das viel brillanter.

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Das erste Mal, dass Menschen die Lichtgeschwindigkeit maßen, war im Jahr 1725, als James Bradley ein Experiment zur Aberration des Lichts durchführte.

Im Jahr 1725 beobachtete Bradley die Bewegung von Apollo 9 auf der Himmelskugel und bestimmte seine Entfernung von uns mithilfe des Parallaxenprinzips. Warum sollten wir Tianbangsi feiern? Dabei geht es um die Debatte zwischen Heliozentrismus und Geozentrismus. Unser allgemeiner Eindruck ist, dass der Geozentrismus unwissenschaftlich ist. Angesichts der damaligen technischen Voraussetzungen und Beobachtungsgabe der Menschen war die geozentrische Theorie jedoch lange Zeit eine sehr gute Theorie zur Erklärung der Bewegung von Himmelskörpern.

Unabhängig von der antiken Zivilisation haben die Menschen eine Art astronomisches Phänomen beobachtet: Die Geschwindigkeit der Planeten, die sich auf der Himmelskugel bewegen, ist manchmal hoch, manchmal niedrig und manchmal sogar rückläufig.

Zur Erklärung dieser retrograden Bewegung verwendete die geozentrische Theorie ein sehr komplexes Bewegungsmodell. Das Modell geht davon aus, dass die Planeten sich nicht nur um die Erde auf einem großen Kreis, dem sogenannten Deferenten, drehen, sondern auch auf einem kleinen Kreis, dem sogenannten Epizykel, um den Bewegungspunkt auf dem Deferenten.

Dieses komplexe Modell wurde im antiken Griechenland durch die heliozentrische Theorie in Frage gestellt. Allerdings gab es drei Fragen, die die heliozentrische Theorie damals nicht vollständig beantworten konnte.

Erstens: Wenn sich die Erde bewegt, sollten wir gemäß der menschlichen Intuition in der Lage sein, die Bewegung des Bodens zu spüren, und wir sollten uns darüber im Klaren sein, dass die Dinge, die wir wegwerfen, eine Gegenbewegung ausführen. Aber warum bemerken wir nie, dass sich die Erde bewegt?

Zweitens glaubten die alten Griechen, dass Kreise symmetrisch und schön seien, und die heliozentrische Theorie konnte kein einfacheres Modell zur Erklärung der Kreisbahnen der Planeten liefern. Zu dieser Zeit war die Epizykel-Deferenten-Struktur besser geeignet, um die Planetenbewegung zu beschreiben.

Drittens glaubten die alten Griechen damals, dass es so aussehen müsse, als würden sich die weit entfernten Sterne bewegen, wenn sich die Sonne nicht bewege. Denn die Menschen der Antike beobachteten, dass von der Erde aus gesehen weit entfernte Sterne auf der Himmelskugel stationär sind. Die Vorstellung, dass sich Sterne bewegen, ist nicht mit der allgemein akzeptierten antiken griechischen Erklärung des Universums vereinbar.

Im 16. und 17. Jahrhundert wurde der Trägheitsbegriff durch Nikolaus Kopernikus, Galilei und Isaac Newton allmählich geklärt und die ersten Zweifel verschwanden; und durch Johannes Kepler, Cassini und Newton wurde die Idee, dass sich Planeten auf elliptischen Bahnen bewegen, allgemein akzeptiert, sodass auch das zweite Problem gelöst war. Die dritte Frage lässt sich allerdings nur lösen, wenn wir die Veränderungen der Positionen der Sterne von der Erde aus beobachten können. Diese Veränderung wird durch die Rotation der Erde um die Sonne und ihre Bewegung in verschiedene Positionen verursacht, nicht durch die Bewegung der Sterne selbst. Daher wird sie als Sternparallaxe bezeichnet.

Der Olymp erscheint manchmal direkt über dem Nachthimmel von London und wird Zenitstern genannt. Daher wurde er zum Beobachtungsobjekt britischer Wissenschaftler, um die Existenz der Sternparallaxe zu bestätigen. Viele britische Wissenschaftler behaupten, die Veränderung der Position dieses Sterns beobachtet zu haben.

Unter diesen Bedingungen wurde Bradley eingeladen, an einer solchen Beobachtung teilzunehmen. Bradley untersuchte die Bewegung des Sterns zunächst auf Einladung und später unabhängig. Die Ergebnisse der Beobachtung waren jedoch unerwartet. Er stellte fest, dass sich die Position von Tianbang IV tatsächlich geändert hatte, dies jedoch nicht mit dem Bewegungsgesetz der Sternparallaxe übereinstimmte.

Um diese Inkonsistenz zu erklären, schlug Bradley das Konzept der Aberration vor. Wenn die entfernten Sterne stationär sind und sich die Erde im Weltraum bewegt, dann sollte die von der Erde aus beobachtete Lichtgeschwindigkeit der entfernten Sterne die Vektorsynthese der Lichtgeschwindigkeit unter Verwendung der Sterne als Referenzsystem und der Geschwindigkeit der Sterne relativ zur Erde sein. Im Laufe des Jahres, wenn sich die Erde in unterschiedlichen Positionen befindet, ändert sich die Richtung ihrer Bewegung relativ zu den Sternen ständig, sodass sich auch die Richtung der synthetisierten Geschwindigkeit ständig ändert. Wenn wir also die Position der Sterne bestimmen, indem wir diesem Lichtweg entgegengehen, werden wir spüren, dass sich die Positionen der Sterne ständig ändern.

Zu Bradleys Zeiten wussten wir bereits, dass die Erde die Sonne mit etwa 30 km/s umkreist. Daraus konnten wir berechnen, dass die Lichtgeschwindigkeit etwa 300.000 km/s beträgt.

Dies war das erste Mal, dass Menschen die Lichtgeschwindigkeit mit relativer Genauigkeit ermittelten.

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Um 1800 setzte sich in der Optik die Wellentheorie gegen die Teilchentheorie durch, was vor allem auf die Fortschritte von Thomas Young, Augustin-Jean Fresnel und François Arago zurückzuführen war.

Dieser Sieg brachte ein riesiges Problem mit sich. Wir wissen, dass die Ausbreitung mechanischer Wellen vom Medium abhängt. In der Wellentheorie hängt die Ausbreitung von Lichtwellen auch vom Medium ab. Als Medium wurde vermutlich Äther verwendet.

Welche Beziehung besteht also zwischen der Bewegung des Äthers und der Erde? Steht es in einer festen Beziehung zum gesamten Universum und zu den Sternen und bleibt es fest? oder wird es von der Bewegung der Erde mitgezogen und bewegt sich mit der Erde?

Um die Bewegung des Äthers zu bestimmen. Man schlug eine einfache experimentelle Methode vor: Man gab Wasser in das Teleskop und beobachtete dann, ob sich der Ablenkwinkel des Lichts änderte.

In der Teilchentheorie werden die Lichtteilchen durch Zugabe von Wasser verlangsamt, um sich an die Bewegung der Erde anzupassen, was schließlich zum Verschwinden des Aberrationsphänomens führen kann. In der Wellentheorie sind die Ergebnisse des Lichts je nach Bewegung des Äthers unterschiedlich: Wenn der Äther von gewöhnlicher Materie völlig unberührt bleibt, tritt das Aberrationsphänomen natürlich auf, aber es ist schwierig, die Lichtbrechung mit der Wellentheorie zu erklären, schließlich ist der Äther die Substanz, die Lichtwellen überträgt. Eine andere Ansicht ist, dass sich der Äther vollständig mit der Erde bewegt. Dies wird als totaler Widerstand des Äthers bezeichnet, d. h., die Erde zieht den Äther mit sich, und die Aberration selbst existiert nicht mehr. Daher ist für die Wellentheorie im Vergleich zur Teilchentheorie die Erklärung des Bewegungszustands des Äthers von entscheidender Bedeutung.

Im Jahr 1810 führte Arago ein Experiment durch, das dem Einfüllen von Wasser in ein Teleskop ähnelte. Die Ergebnisse stimmten weder mit der Teilchentheorie noch mit der Wellentheorie überein. Im Jahr 1818 konsultierte Arago Fresnel zu diesem Thema.

Fresnel schlug die Theorie des partiellen Ätherwiderstands vor. Er glaubte, dass sich ein Teil der Äthermaterie mit der gewöhnlichen Materie bewegte, während der andere Teil im Einklang mit dem statischen kosmischen Rahmen blieb.

Im Jahr 1845 untersuchte George Stokes das Problem des Gesamtwiderstands im Äther erneut. Im theoretischen Rahmen von Stokes kann der Gesamtwiderstand auch zur Entstehung von Aberrationen führen.

Um die Theorien von Fresnel und Stokes zu beurteilen, schickte Hippolyte Fizeau Licht in zwei Wasserrohre, in denen in entgegengesetzte Richtungen floss, und beobachtete dann die Bewegung der Interferenzstreifen, die von den beiden Lichtwellen bei unterschiedlichen Wasserdurchflussraten gebildet wurden. Die Ergebnisse dieses Experiments wichen ziemlich weit von Stokes‘ theoretischen Ergebnissen ab, kamen Fresnels Vorhersagen jedoch sehr nahe. Fresnels Popularität war zu dieser Zeit beispiellos.

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Im Jahr 1855 schrieb William Thomson, der spätere Lord Kelvin, an James Clerk Maxwell und machte ihn auf die Experimente von Wilhelm Eduard Weber und Rudolf Kohlrausch aufmerksam.

Weber wurde von Carl Friedrich Gauß eingeladen, gemeinsam das Problem der Einheitenumrechnung im Elektromagnetismus zu untersuchen. Im Rahmen der Forschung führten er und Kollaus entsprechende Messexperimente durch, um eine zentrale Umrechnungsgröße zu ermitteln. Die Dimension dieser Messung ist die Geschwindigkeitskonstante c, und das Ergebnis ist √2 mal die Lichtgeschwindigkeit. (Interessanterweise wurde c später zum Symbol für die Lichtgeschwindigkeit.) Weber glaubte, dass diese Konstante eine physikalische Bedeutung haben müsse und dass unter allen damals bekannten Geschwindigkeiten nur die Lichtgeschwindigkeit in ihrer Größenordnung mit ihr vergleichbar sei.

Erst 1857 eliminierte Gustav Kirchhoff √2 und gelangte zu einer sehr wichtigen Schlussfolgerung: Die Ausbreitungsgeschwindigkeit des elektrischen Stroms in einem Kupferdraht ist die Lichtgeschwindigkeit. Natürlich wissen wir heute, dass diese Schlussfolgerung falsch ist. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit eines elektrischen Felds in einem Kupferdraht beträgt das 0,7-fache der Lichtgeschwindigkeit.

Britische Wissenschaftler haben dieses Experiment anders verstanden. Sie glaubten, dass elektromagnetische Induktion wie Licht durch den Äther übertragen wird. Letztlich stellte Maxwell die Maxwell-Gleichungen auf der Grundlage der experimentellen Ergebnisse von Weber und anderen auf, indem er William Thomsons Modell modifizierte und sich auf die Ideen von Michael Faraday bezog. Basierend auf diesem Gleichungssystem ermöglichte Maxwell die Umwandlung des elektrischen und des magnetischen Felds im Äther ineinander und die Ausbreitung in Wellenform und schlug das Konzept der elektromagnetischen Wellen vor. Maxwell sagte außerdem voraus, dass Licht eine elektromagnetische Welle ist.

Um die Theorie der elektromagnetischen Wellen zu überprüfen und zwischen Maxwells Theorie und Webers Theorie zu entscheiden, bat Hermann von Helmholtz Heinrich Hertz, eine Reihe von Experimenten zu entwerfen. Durch ein ausgeklügeltes experimentelles Design bewies Hertz die Übertragbarkeit elektromagnetischer Wellen, maß die Geschwindigkeit elektromagnetischer Wellen, verifizierte die Transversalwellennatur elektromagnetischer Wellen und maß die Reflexions- und Brechungseigenschaften elektromagnetischer Wellen. Bis 1889 hatte Hertz diese Experimente abgeschlossen und Maxwells Vermutung bestätigt.

In dieser Versuchsreihe erwies sich das von Hertz konzipierte Experiment zur Messung der Wellengeschwindigkeit als äußerst genial. Er verwendete zwei riesige Metallplatten, um zwei elektromagnetische Wellen aufeinander zulaufen zu lassen, wodurch stehende Wellen entstanden. dann verwendete er Antennen, um die Positionen der Wellenbäuche und -knoten zu empfangen und zu messen und so die Wellenlänge zu berechnen; Anschließend berechnete er anhand der Beziehung zwischen Wellenlänge und Frequenz der elektromagnetischen Welle die Wellengeschwindigkeit.

Von da an basierten die Untersuchung und Beschreibung von Lichtwellen auf der Beschreibung elektromagnetischer Wellen.

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Nach der Etablierung der elektromagnetischen Wellentheorie galt der Äther nicht nur als Träger von Lichtwellen, sondern auch als Träger elektrischer und magnetischer Felder. Daher erlangte die Bestimmung der Ätherbewegung große Bedeutung.

In den Jahren 1881 und 1887 verwendeten Albert A. Michelson und Edward W. Morley das Michelson-Interferometer, um die Bewegung des Äthers zu messen. Beim Experiment von 1887 waren die beiden Arme des Michelson-Interferometers gleich lang (11 Meter) und die Lichtwege verliefen senkrecht zueinander. Wenn ein Arm parallel zur Richtung der Ätherbewegung platziert wird, wird der andere Arm senkrecht zur Richtung der Ätherbewegung platziert. Die Entfernung, die das Licht durch die beiden Arme zurücklegt, ist gleich, aber aufgrund der unterschiedlichen Lichtgeschwindigkeiten besteht zwischen den beiden Pfaden ein Phasenunterschied. Wenn die Positionen der beiden Lichtwege zu diesem Zeitpunkt vertauscht werden, verschieben sich die Interferenzstreifen, die durch das durch die beiden Lichtwege hindurchtretende Licht gebildet werden, erheblich. Mithilfe eines auf Quecksilber schwimmenden Marmortisches konnten Michelson und Morley das System um 90 Grad drehen und so die Positionen der Arme vertauschen. Sie beobachteten weiter, aber leider betrug die Streifenbewegung, die sie schließlich beobachteten, weniger als 1/10 des erwarteten Ergebnisses.

Besonders nach der Fertigstellung von Hertz‘ Experiment im Jahr 1889 stellte Michelsons Experiment eine enorme Herausforderung für die gesamte Theorie der elektromagnetischen Wellen dar.

Als Antwort auf diese Herausforderung glaubte Hendrik Lorentz, dass dies daran liege, dass die Äthermoleküle selbst elektrische Ladungen enthielten und ihre Länge in Bewegungsrichtung schrumpfen würde, wenn sie sich bewegten; Es war dieser Schrumpfungseffekt, der zu den entsprechenden Ergebnissen von Michelsons Experiment führte.

Um die Herleitung von Gleichungen zu erleichtern, führte Lorentz das Konzept der „Ortszeit“ ein, und mit dem Aufkommen anderer Experimente führte Lorentz außerdem das Konzept der „Zeitdilatation“ ein. Aus Lorentz‘ Sicht ist die Behandlung der Zeit jedoch lediglich eine mathematische Technik und hat keine physikalische Bedeutung.

Das Konzept des Äthers selbst wird jedoch zunehmend in Frage gestellt. Die Eigenschaften des Äthers unterschieden sich so sehr von denen gewöhnlicher Materie, dass er eher einer theoretischen technologischen Notwendigkeit als einer realen Sache zu ähneln schien. Die Menschen neigen dazu, dieses Konzept aufzugeben.

Andererseits schlug Henri Poincaré im Jahr 1900 das Konzept der optischen Uhr vor. Er ist der Ansicht, dass die gesamte Zeitmessung auf tatsächlichen physischen Geräten und physikalischen Gesetzen basieren muss. Ausgehend von der damals weit verbreiteten praktischen Anwendung – der Zeitmessung mittels elektromagnetischer Wellen – entwickelte er ein Zeitmodell, bei dem eine Zeiteinheit einem Hin- und Rückweg des Lichts zwischen zwei Spiegeln entspricht.

Dieses Modell führt zu zeitlichen Unterschieden zwischen verschiedenen Sportsystemen. Dies zeigt auch, dass die Relativität der Zeit nicht länger eine bequeme mathematische Behandlung ist, sondern eine physikalische Realität.

Im Jahr 1905 gab Albert Einstein den Äther vollständig auf und begründete die spezielle Relativitätstheorie, die auf der Prämisse der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit und der Invarianz physikalischer Gesetze in verschiedenen bewegten Bezugssystemen basierte.

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Erst die Etablierung der Relativitätstheorie macht die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum zu einer universellen Konstante. Im Jahr 1983 wurde auf der 17. Internationalen Konferenz für Maß und Gewicht in Kombination mit einer Reihe von Experimenten (insbesondere der Definition der „Sekunde“) die Lichtgeschwindigkeit als grundlegender Messmaßstab definiert und die Lichtgeschwindigkeit direkt mit 299.792.458 Metern pro Sekunde festgelegt.

Es ist leicht zu verstehen, dass die Definitionsdaten mit historischen Experimenten übereinstimmen sollten, es ist jedoch schwer zu erkennen, wie diese Daten mit einer 9-stelligen Genauigkeit erreicht werden können. Bei frühen astronomischen Experimenten lag die Datengenauigkeit höchstens bei wenigen Prozent. Um 1850 haben Fizeau und Léon Foucault die Lichtgeschwindigkeit direkt gemessen. Auch nach Verbesserungen durch spätere Generationen lagen die Ergebnisse nur bei wenigen Tausendsteln. Um hochpräzise Daten zu erhalten, muss die Kohärenz genutzt werden. Dazu gehören Interferenzstreifen, die häufig in der Wellenoptik auftreten, und stehende Wellenphänomene, die häufig in elektromagnetischen Feldern auftreten. Obwohl beim Michelson-Morley-Experiment nur die relative Lichtgeschwindigkeit gemessen wurde, erreichte die experimentelle Auflösungsgenauigkeit aufgrund der Nutzung der Kohärenz den Kilometer/Sekunden-Bereich.

Wenn wir die Geschichte der Lichtgeschwindigkeitsmessung zurückverfolgen, erhalten wir auch einen sehr wichtigen Hinweis: Entweder ist die Geschwindigkeit des untersuchten Systems schnell genug oder die experimentelle Auflösung ist hoch genug, sodass wir die Auswirkungen der Relativität deutlich wahrnehmen können. Dieser Punkt wird in verschiedenen Diskussionen oft übersehen.

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Basierend auf einer umfassenden Lektüre der Originalliteratur stellt der Autor in dem Buch detailliert die Geschichte der Erforschung der Lichtgeschwindigkeit und die Geschichten verwandter Physiker dar. Darüber hinaus möchte der Autor, wie Herr Wu Yongshi im Vorwort sagte, den Lesern zwei Tatsachen aufzeigen: 1) Die Physik ist eine Disziplin, die in erster Linie von Experimenten getrieben wird und zudem untrennbar mit der Abstraktion und Systematisierung physikalischer Theorien verbunden ist; 2) Die Physik hat im Laufe der Generationen von Gelehrten Fortschritte gemacht.

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Der erste Entwurf des Buches wurde von Herausgeber Li Qingzhou von „University Popular Science“, Forscher Ji Yang vom Institute of Semiconductors der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, Professor Wu Jianyong von der Georgetown University, Professor Li Ning von der Eastern Washington University, Professor Qian Hong von der Washington University, Professor Chen Xi von der South China University of Technology, Professor Wen Dehua und Professor Zhang Xiangdong geprüft, die alle zahlreiche Überarbeitungsvorschläge machten. Ihnen gilt unser besonderer Dank!

Professor Jiang Jinsong von der Tsinghua-Universität empfahl einmal Bücher über die Beziehung zwischen Religion und Wissenschaft, und Professor Yang Yingrui vom Rensselaer Polytechnic Institute half einmal bei der Arbeit am Vorwort. Dafür möchten wir ihm unseren ganz besonderen Dank aussprechen!

Vielen Dank an den angesehenen Professor Wu Yongshi von der University of Utah für das Verfassen des Vorworts!

Danke an meine Freunde, die mir sehr geholfen haben!

Dieser Artikel wird vom Science Popularization China Starry Sky Project unterstützt

Produziert von: Chinesische Vereinigung für Wissenschaft und Technologie, Abteilung für Wissenschaftspopularisierung

Hersteller: China Science and Technology Press Co., Ltd., Beijing Zhongke Xinghe Culture Media Co., Ltd.

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