Wie können wir die Lichtgeschwindigkeit messen, wenn sie so hoch ist?

Man kann sagen, dass die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum die maximale Geschwindigkeit ist, mit der sich Objekte in der Natur bewegen. Die derzeit von der Wissenschaft anerkannte Lichtgeschwindigkeit beträgt 299.792,458 km/s. Das bedeutet, dass das Licht in einer Sekunde 299.792,458 Kilometer zurücklegen kann, was ungefähr 7,48 Runden um den Äquator der Erde entspricht.

Da Licht so schnell „läuft“, stellt sich die Frage, wie Wissenschaftler auf so präzise Zahlen kommen. Wie wird die Lichtgeschwindigkeit gemessen?

Galileo – Der erste Mensch, der erkannte, dass Licht eine Geschwindigkeit hat

Vor dem 17. Jahrhundert glaubten die Menschen immer, dass die Lichtgeschwindigkeit unendlich sei, und sowohl Kepler als auch Descartes waren davon fest überzeugt. Galileo vertrat jedoch eine andere Ansicht. Er glaubte, dass die Lichtgeschwindigkeit zwar sehr hoch, aber dennoch begrenzt und messbar sei.

Um seine Vermutung zu bestätigen, entwarf Galileo 1607 das weltweit erste Experiment zur Messung der Lichtgeschwindigkeit. Er bat A und B, auf den Gipfeln zweier Berge zu stehen, die 1,5 Kilometer voneinander entfernt waren, und wollte den Zeitunterschied beim Sehen der Lichter auf den beiden Hügeln nutzen, um die Lichtgeschwindigkeit zu berechnen. Da das Intervall jedoch so kurz ist, ist eine genaue Messung unmöglich. Letztlich scheiterte Galileis Experiment, doch es öffnete die Tür zur Wahrheit über die menschliche Messung der Lichtgeschwindigkeit.

Romer - der erste Mensch, der astronomische Messungen durchführte

Die Umlaufzeit des Jupiters beträgt 12 Jahre. Jedes Mal, wenn der Jupitermond den Jupiter umkreist, kommt es zu einer „Eklipse“, wenn er in den Schatten des Jupiters eintritt. Dies ähnelt einer Mondfinsternis. Eine „Satellitenfinsternis“ des Jupiters tritt auf, wenn sich Jupiter zwischen den Satelliten und die Sonne bewegt.

Tatsächlich ändert sich jedoch der Zeitpunkt, zu dem Menschen Satellitenfinsternisse beobachten können, ständig. Dies zeigt deutlich, dass sich die Positionen der Erde und des Jupiters ständig ändern und der Abstand zwischen der Erde und dem Jupiter keine Konstante ist. Darüber hinaus hängt das Auftreten dieses Phänomens auch mit der Lichtgeschwindigkeit zusammen.

Im Jahr 1676 führte der dänische Astronom Romer Langzeitbeobachtungen dieses Jupitermondes durch. Er stellte fest, dass die Satellitenfinsternis tatsächlich mehr als zehn Minuten später zu sehen war als die geschätzte Zeit. Er glaubte, dass dies daran lag, dass die Entfernung zwischen der Erde und dem Jupiter allmählich zunahm und sich daher auch die Zeit, die das Licht brauchte, um die Erde zu erreichen, entsprechend verlängerte. Daher, so schlussfolgerte Romer, ist die Lichtgeschwindigkeit endlich. Er berechnete außerdem, dass das Licht 11 Minuten benötigt, um eine Strecke zurückzulegen, die dem Radius der Erdumlaufbahn entspricht.

Romer sagte voraus, dass sich die Mondfinsternis des Jupiters, die ursprünglich für den 9. November 1676 um 5:25:45 Uhr geplant war, um 10 Minuten verzögern würde. Die endgültigen Beobachtungsergebnisse bestätigten Romers Vermutung. Nach zahlreichen Überprüfungen und Korrekturen berechnete der berühmte Wissenschaftler Huygens mit Romers Theorie die erste Lichtgeschwindigkeit in der Geschichte der Wissenschaft: 214.000 km/s.

Fizeau – Erforscher von Bodenexperimenten

Der erste Mensch, der die Lichtgeschwindigkeit auf der Erde gemessen hat, war der französische Physiker Fizeau. Er entwickelte ein geniales Gerät – rotierende Zahnräder – um die Lichtgeschwindigkeit zu messen.

Das „Spinning Gear“ besteht aus einem Zahnrad, einem Spiegel und einem durchscheinenden Spiegel. Nachdem die Lichtquelle emittiert wurde, wird sie durch den durchscheinenden Spiegel auf den Spiegel reflektiert und der Spiegel reflektiert dann das Licht in die Augen des Betrachters. In der Mitte befindet sich ein Zahnrad. Wenn es sich zu drehen beginnt, zerlegt es das in das menschliche Auge reflektierte Licht in Segmente, sodass man Blitze sieht. Durch Messen der Rotationsgeschwindigkeit des Zahnrads und der vom Licht zurückgelegten Strecke kann die Geschwindigkeit jedes Blitzes berechnet werden. Obwohl diese Methode ihre Mängel hat, stellt sie eine Pionierleistung in der Geschichte der Lichtgeschwindigkeitsmessung dar und legte den Grundstein für nachfolgende Messarbeiten.

Michelson – der Meister der Lichtgeschwindigkeitsmessung

Michelson begann seine Forschungen zur Messung der Lichtgeschwindigkeit im Jahr 1879 und dauerte bis 1926, also etwa 50 Jahre. Er fasste die Mängel seiner Vorgänger zusammen und entwickelte die „Methode des rotierenden Oktaederprismas“ zur Messung der Lichtgeschwindigkeit.

Bei der „Methode des rotierenden Oktaederprismas“ verwendete Michelson anstelle des rotierenden Planspiegels bei der Methode des rotierenden Spiegels ein reguläres Oktaederprisma aus Stahl und verlängerte dadurch den Lichtweg. und verwendete die genau gemessene Prismengeschwindigkeit anstelle der Zahnradgeschwindigkeit bei der Zahnradmethode, wodurch der Fehler bei der Zeitmessung reduziert wurde. In diesem Experiment berechnete Michelson die Lichtgeschwindigkeit auf 299.796 km/s, was zu dieser Zeit als der genaueste Rekord galt, und Michelson erhielt 1907 den Nobelpreis für Physik.

Eine neue Ära in der Lichtgeschwindigkeitsmessung

Seit Michelson ist die 250 Jahre währende Erforschung der Lichtgeschwindigkeit vorläufig zu Ende gegangen. Erst 1929 erreichte die Messung der Lichtgeschwindigkeit eine neue Phase. Es entstanden in einem endlosen Strom neue experimentelle Techniken und Methoden, und die Lichtgeschwindigkeit wurde immer präziser und entwickelte sich schließlich zu einem festgelegten Wert in der Physikergemeinschaft.

➡In den Jahren 1937 und 1941 maß der US-Amerikaner Anderson zweimal die Lichtgeschwindigkeit und ermittelte schließlich mithilfe des Kerr-Effekts eine Lichtgeschwindigkeit von 299.776 km/s.

➡Im Jahr 1949 verwendete Aslakson ein Radar, um die Geschwindigkeit elektromagnetischer Wellen zu messen. Das Ergebnis war 299.792 km/s.

➡1952 gelang es dem britischen Experimentalphysiker Fromm mithilfe eines Mikrowelleninterferometers, die Lichtgeschwindigkeit mit extrem hoher Präzision zu messen. Die mit dieser Methode gemessene Lichtgeschwindigkeit beträgt 299.792 km/s.

➡1960 entstand der Laser.

➡ Im Jahr 1972 verwendeten Evenson und andere vom U.S. Bureau of Standards die Methode zur Messung der Laserfrequenz und der Wellenlänge des Lichts im Vakuum, um die Lichtgeschwindigkeit mit 299.792,458 km/s zu bestimmen. Dieser Wert wurde schließlich vom Fünften Beratungsausschuss zur Definition des Meters im Jahr 1973 und der Fünfzehnten Generalkonferenz für Maß und Gewicht im Jahr 1975 als international empfohlener Wert verwendet.

Nach über 300 Jahren der Messung wurde die Lichtgeschwindigkeit endlich bestimmt. Während des Erkundungsprozesses kombinierten die Wissenschaftler Theorie und Praxis sowie Berechnung und Messung perfekt und erhielten schließlich einen genauen Wert für die Lichtgeschwindigkeit.

Die Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit hat nicht nur Auswirkungen auf die Definition der Einheit „Meter“, sondern gibt auch Hilfestellung für weitere Forschungen. Standardeinheiten wie die Lichtgeschwindigkeit und der Meter mögen gewöhnlich erscheinen, aber sie zeugen vom Fortschritt der menschlichen Zivilisation. Der Wissenschaft sind keine Grenzen gesetzt und die Reise der Menschheit zur Erforschung der Welt hat gerade erst begonnen.