Die Wissenschaft hat bewiesen, dass die Lichtgeschwindigkeit sowohl überschritten als auch verlangsamt werden kann. Warum behaupten wir also immer noch, dass die Lichtgeschwindigkeit begrenzt und unveränderlich sei?

In der modernen Physik ist die Lichtgeschwindigkeit bereits eine Konstante mit einem genauen Wert von 299.792.458 Metern pro Sekunde oder etwa 300.000 km/s. Vor mehr als 100 Jahren schlug Einstein in seiner speziellen Relativitätstheorie die beiden Prinzipien der Lichtgeschwindigkeitsgrenze und der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit vor, die zur unüberwindbaren Grenze der modernen Physik wurden.

Die Lichtgeschwindigkeitsgrenze bedeutet, dass in unserem Universum keine materielle Bewegung die Lichtgeschwindigkeit erreichen, geschweige denn überschreiten kann, und nicht einmal das kleinste Teilchen bildet eine Ausnahme; Die Konstanz der Lichtgeschwindigkeit bedeutet, dass die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum bei Beobachtung in jedem Bezugssystem gleich ist und sich nicht ändert, je nachdem, ob sich der Beobachter relativ zum Beobachter bewegt.

Seit mehr als 100 Jahren ist dies eine eiserne Regel, die niemand außer Kraft setzen kann. Doch in einigen Experimenten stellen Wissenschaftler häufig fest, dass sich manche Materie schneller als mit Lichtgeschwindigkeit bewegt und dass die Lichtgeschwindigkeit abnehmen oder sogar ganz aufhören kann. Was ist los? Lassen Sie es uns gemeinsam herausfinden.

Das einzige bestätigte Phänomen, bei dem sich Materie schneller als mit Lichtgeschwindigkeit bewegt

Schon vor langer Zeit beobachteten die Menschen, dass transparente Medien wie Wasser bei Strahlung ein blassblaues Leuchten aussenden. Dies wurde jedoch als Fluoreszenz interpretiert, selbst Madame Curie war dieser Meinung. Der ehemalige sowjetische Wissenschaftler Pavel Alexeevich Cherenkov beschloss, dies herauszufinden.

In den 1930er Jahren gab es noch nicht einmal einfache Instrumente zur Messung der Lichtintensität, sodass Cherenkov sich bei der Beobachtung ausschließlich auf seine eigenen Augen verlassen konnte. Um ein Gespür für die Lichtintensität zu entwickeln, musste er seinen Augen täglich eine Stunde Zeit geben, sich an die Dunkelheit zu gewöhnen, bevor er das schwache Leuchten wahrnehmen konnte, das im Medium auftrat.

Über mehrere Jahre hinweg wechselte Cherenkov verschiedene Medien und führte immer wieder Experimente durch. Schließlich stellte er fest, dass es sich hierbei nicht um Fluoreszenz handelte, da Fluoreszenz eine in alle Richtungen ausgestrahlte Kugelwelle sein sollte, während das durch diesen Strahl angeregte Leuchten eine kegelförmige Welle war. Ab 1934 veröffentlichte er daher eine Reihe von Artikeln, in denen er die Natur dieses Phänomens, das als „Tscherenkow-Strahlung“ bezeichnet wurde, detailliert beschrieb.

Später beteiligten sich auch seine Kollegen Ilja Michailowitsch Frank und Igor Jewgenjewitsch Tamm an der Forschung und kamen schließlich zu dem Schluss, dass es sich um ein Überlichtgeschwindigkeitsphänomen handelte! Dies ist das erste überlichtschnelle Phänomen, das entdeckt wurde, seit Einstein die Obergrenze der Lichtgeschwindigkeit vorgeschlagen hat, und es ist auch das bislang einzige überlichtschnelle Phänomen der Materialbewegung!

Aber warum erzeugen überlichtschnelle Phänomene ein Leuchten?

Viele Wissenschaftler sind von diesem Phänomen fasziniert und versuchen, es durch verschiedene Experimente zu ergründen. Nach mehreren Jahren gemeinsamer Bemühungen haben Cherenkov und drei andere das Problem schließlich herausgefunden. Es stellte sich heraus, dass geladene Teilchen, die sich in einem Medium mit einer Geschwindigkeit bewegen, die schneller ist als die Lichtgeschwindigkeit, eine Art elektromagnetische Strahlung aussenden. Diese Strahlung wird in einem Kegel emittiert, der die Quelle der Tscherenkow-Strahlung ist.

Der Grund für dieses Phänomen ähnelt ein wenig dem Überschallknall eines Überschallflugzeugs. Wenn die Geschwindigkeit des Flugzeugs die Schallgeschwindigkeit erreicht oder überschreitet, können die Schallwellen die Geschwindigkeit des Flugzeugs nicht überschreiten und können daher den Flugzeugkörper nicht verlassen und sich ansammeln, wodurch eine kegelförmige Stoßwelle entsteht.

Wenn sich ein geladenes Teilchen schneller als mit Lichtgeschwindigkeit bewegt, werden ebenfalls Photonenschwingungen erzeugt, die als blauer Strahlungskegel erscheinen. Das blaue Leuchten ist das Phänomen der Photonenschwingung, das entsteht, wenn sich das Teilchen schneller als mit Lichtgeschwindigkeit bewegt. Für die Entdeckung dieses Prinzips erhielten Cherenkov und seine beiden Kollegen 1958 den Nobelpreis für Physik, den sie sich teilten.

Dieses Prinzip ist von großer Bedeutung. Menschen nutzen dieses Prinzip, um verschiedene hochenergetische geladene Teilchen aus dem Universum einzufangen. Wenn beispielsweise hochenergetische geladene Teilchen in die Erdatmosphäre eintreten, überschreiten einige von ihnen die Lichtgeschwindigkeit und erzeugen blaues Licht. Darüber hinaus haben die Menschen auf der Erde, unter dem Eis oder im Untergrund zahlreiche Blasenkammern oder Becken gebaut, um verschiedene Partikel einzufangen. Wenn diese Partikel das von Menschenhand vorbereitete Medium bombardieren, tritt ein Überlichteffekt auf, der ein Leuchten und einen Pfad hinterlässt. Auf diese Weise werden diese normalerweise unsichtbaren Substanzen sichtbar und können von Wissenschaftlern untersucht werden.

Die Lichtgeschwindigkeit verlangsamt sich nicht nur, sondern stoppt auch

Aus der obigen Einführung können wir ersehen, dass die Lichtgeschwindigkeit nur im Vakuum am höchsten ist, aber nicht unbedingt in einem Medium. Wie langsam ist also die Lichtgeschwindigkeit in einem Medium? Hier einige grobe Kennwerte: Im Vergleich zur Lichtgeschwindigkeit im Vakuum kann die Lichtgeschwindigkeit in Luft 99,97 %, in Eis 77 %, in Wasser nur etwa 75 %, in Alkohol etwa 73 %, in Glas etwa 67 % und in Diamanten etwa 41 % erreichen.

Was die Lichtgeschwindigkeit in diesen gängigen Medien angeht, ist Diamant mit etwa 124.000 Kilometern pro Sekunde das langsamste. Dies ist in der Makrowelt des täglichen Lebens immer noch eine unerreichbare Geschwindigkeit. Ist es also möglich, es zu verlangsamen?

Wissenschaftler versuchen dies seit Jahrzehnten und haben bewiesen, dass die Lichtgeschwindigkeit nicht nur immer weiter verlangsamt, sondern auch gestoppt werden kann!

Im Jahr 1999 gelang es einem Wissenschaftlerteam der Harvard University unter der Leitung der dänischen Physikerin Lene Vestergaard Hau, einen Lichtstrahl auf etwa 17 Meter pro Sekunde zu verlangsamen, und im Jahr 2001 gelang es ihr, einen Lichtstrahl vollständig einzufrieren. Was ist Einfrieren? Es hat einfach aufgehört! Und sobald das Licht freigesetzt ist, kann es seine Geschwindigkeit auf 300.000 Kilometer pro Sekunde steigern.

Dies ist leichter gesagt als getan, da es sich um die Bose-Einstein-Theorie der kondensierten Materie handelt. Diese Theorie besagt, dass Bosonen bei extrem niedrigen Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt einen besonderen Zustand aufweisen, nämlich ein Bose-Einstein-Kondensat. Jahrzehnte nach dieser Vorhersage gelang es den Wissenschaftlern erst 1995, diese Form von Materie herzustellen.

Bose-Einstein-Kondensat hat viele merkwürdige Eigenschaften. Eine davon ist, dass, wenn Atome in diesem Zustand mit Laserlicht bestrahlt werden, der Brechungsindex bei einer bestimmten Frequenz plötzlich ansteigt, was dazu führt, dass die Geschwindigkeit des Lichtstrahls plötzlich abfällt. Ryans Team erreichte die Lichtgeschwindigkeit von 17 Metern pro Sekunde, indem es dieses Prinzip nutzte, um Licht durch eine Gruppe ultrakalter Natriumatomwolken passieren zu lassen.

Später schaltete Ryans Team den gekoppelten Laser plötzlich aus, als der Lichtimpuls vollständig komprimiert und in den Atomen niedriger Temperatur eingeschlossen war, wodurch sich die Eigenschaften der Atomwolke änderten. Der Lichtimpuls konnte die Atomwolke mit niedriger Temperatur nicht durchdringen und wurde im Inneren gefangen. Als sie den gekoppelten Laser wieder einschalteten, wurden die eingefrorenen Lichtimpulse erneut freigesetzt.

Ihre Leistung ist von großer Bedeutung und hat eine solide Grundlage für das Quantencomputing gelegt. Heute gelingt es Wissenschaftlern, Licht über immer längere Zeiträume einzufangen.

Im Jahr 2013 gelang es einem Wissenschaftlerteam der Universität Darmstadt, Licht für 60 Sekunden zu stoppen und zu speichern. Diesmal wird ein völlig undurchsichtiger Kristall verwendet, dessen Temperatur bis nahe an den absoluten Nullpunkt gesenkt wird und dessen Atome dann mit einem Laserstrahl in einen Quantenüberlagerungszustand versetzt werden. Der Kristall wird dann transparent und lässt Licht einer bestimmten Wellenlänge durch. Dann lässt man einen weiteren Laserstrahl in den durchsichtig gewordenen Kristall eindringen und sorgt dann dafür, dass der Kristall sofort seine Transparenz verliert, wodurch der Laser, der in den Kristall eindringt, blockiert wird.

Diese Methode ist ein bisschen so, als würde man zuerst einen dunklen Raum vorbereiten, die Tür öffnen, um einen Lichtstrahl hereinzulassen, und dann die Tür schließen, wodurch das Licht im dunklen Raum eingeschlossen wird. Eine Minute später öffnete ich das gegenüberliegende Fenster und das Licht ging wieder aus.

Im Jahr 2021 nutzte ein Team unter der Leitung von Akademiker Guo Guangcan von der University of Science and Technology of China dasselbe Prinzip und Europium-dotierte Yttriumsilikatkristalle (Eu3+: Y2SiO5) als Materialien, um einen 600 Meter langen Lichtimpuls erfolgreich in einem 5-mm-Kristall zu speichern. Es wurde erst 60 Minuten später freigegeben und das Licht war immer noch lebendig, mit einer Phasenspeichertreue von bis zu 96,4±2,5 %.

Diese Änderungen der Lichtgeschwindigkeit widerlegen die Relativitätstheorie nicht.

Bei dem oben erwähnten wissenschaftlichen Experiment geht es sowohl um Materie, die die Lichtgeschwindigkeit überschreiten kann, als auch um die Fähigkeit, die Lichtgeschwindigkeit zu verlangsamen. Bedeutet dies, dass Einsteins Schlussfolgerung zur Lichtgeschwindigkeit aus der Relativitätstheorie falsch ist und dass die Relativitätstheorie widerlegt wurde? NEIN.

Jeder mit Grundkenntnissen in Physik kann erkennen, dass die verschiedenen Beispiele für das Überschreiten oder Verlangsamen der Lichtgeschwindigkeit alle bedingt sind, nämlich die Leistung der Lichtgeschwindigkeit in verschiedenen Medien. Die spezielle Relativitätstheorie zur Grenze und Konstanz der Lichtgeschwindigkeit bezieht sich auf die Eigenschaften der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum.

Dies bedeutet, dass die Lichtgeschwindigkeit in einem Medium nicht die schnellste der Welt ist. Das ist eigentlich ganz einfach zu verstehen. Trifft beispielsweise ein Lichtstrahl auf eine Eisenplatte oder ein Holzbrett, wird er blockiert, während eine Kugel oder ein panzerbrechendes Geschoss diese problemlos durchdringen kann. Daher ist die Lichtgeschwindigkeit in einem Holzbrett oder einer Eisenplatte nicht so hoch wie die einer Kugel oder eines panzerbrechenden Geschosses.

Warum verlangsamt sich die Lichtgeschwindigkeit in einem Medium? Dies liegt daran, dass das Licht im Medium gebrochen wird und sich ständig hin und her biegt, sodass es natürlich langsamer wird. Verschiedene Medien haben unterschiedliche Brechungsindizes, daher ist die Lichtgeschwindigkeit in ihnen unterschiedlich; Andere Teilchen bewegen sich anders als Photonen, sodass es für sie möglich ist, in einem Medium die Lichtgeschwindigkeit zu überschreiten.

Wissenschaftliche Experimente verlangsamen die Lichtgeschwindigkeit, indem sie den Brechungsindex des Mediums ändern. Je höher der Brechungsindex, desto länger braucht das Licht, um durch das Medium zu reisen, die Lichtgeschwindigkeit erscheint also langsamer. Um das Licht zu stoppen, ist es neben der Erhöhung des Brechungsindex des Mediums auch notwendig, die Anregung des Lichtfeldes in die Anregung einer Atomgruppe umzuwandeln. Diese Atome wirken wie ein Fischernetz, um diese Photonen einzufangen.

Beispielsweise gelang es dem Team um Akademiemitglied Guo Guangcan, Licht mit einer Lichtstärke von 600 Metern eine Stunde lang in einem 5-mm-Kristall zu halten. Zunächst erhöhten sie den Brechungsindex des mit Europium dotierten Yttriumsilikatkristalls (Eu3+: Y2SiO5) um das Hunderttausendfache und bildeten durch Anregung ein atomares „Fischernetz“, sodass das in diese Atomgruppe einfallende Licht im Kristall nur hin und her schwingen kann und seine Position im Gitter nicht verlassen kann.

Tatsächlich wurden diese Experimente alle im Rahmen von Einsteins Relativitätstheorie durchgeführt und stehen in keiner Weise im Widerspruch zu der von Einstein vorgeschlagenen Lichtgeschwindigkeitsgrenze und der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit.

Das ist alles, was ich zu sagen habe. Willkommen zur Diskussion und danke fürs Lesen.

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