Wie wird die Lichtgeschwindigkeit gemessen?

Jeder weiß, dass sich Licht sehr schnell bewegt. Es kann in einer Sekunde 300.000 Kilometer zurücklegen und die Erde siebeneinhalb Mal in einer Sekunde umrunden. Wie messen Menschen eine so hohe Geschwindigkeit?

1. Galileis Messungen

Im antiken Griechenland war man sich über die Größenordnung der Lichtgeschwindigkeit nicht ganz im Klaren. Einige Wissenschaftler, wie beispielsweise Aristoteles, glaubten sogar, dass die Lichtgeschwindigkeit unendlich sei. Noch interessanter ist die Annahme einiger Leute: Licht wird von den Augen ausgestrahlt, und wir können entfernte Sterne sehen, sobald wir die Augen öffnen. Daher muss die Lichtgeschwindigkeit unendlich sein.

Nach der Renaissance führte Galileo, ein Pionier der modernen Wissenschaft, 1638 das erste Experiment zur Messung der Lichtgeschwindigkeit durch.

Galilei und sein Gehilfe standen auf zwei weit voneinander entfernten Hügeln und hielten jeweils eine Lampe in der Hand. Galileo deckte zuerst die Lampe ab. Als der Assistent sah, dass Galileo die Lampe abdeckte, deckte er sofort seine eigene Lampe ab. Galileis Idee bestand darin, den Zeitunterschied zwischen dem Abdecken der Lampe und dem Zeitpunkt, als er sieht, wie sein Assistent die Lampe abdeckt, zu messen. Während dieser Zeitspanne bewegte sich das Licht lediglich zwischen den beiden Personen hin und her, sodass die Lichtgeschwindigkeit gemessen werden konnte.

Allerdings ist die Lichtgeschwindigkeit so hoch, dass es in diesem Experiment unmöglich ist, die Lichtgeschwindigkeit zu messen. Wenn wir die Reaktionszeit der beiden Personen und die Zeit, die sie das Licht zurücklegten, außer Acht lassen, benötigte das Licht für diese Distanz nur wenige Mikrosekunden, was mit den damaligen apparativen Bedingungen nicht messbar war. Galileo gab auch zu, dass er mit diesem Experiment weder die Lichtgeschwindigkeit gemessen noch festgestellt hatte, ob die Lichtgeschwindigkeit endlich oder unendlich war. Galileo sagte jedoch: „Selbst wenn die Lichtgeschwindigkeit endlich ist, muss sie unglaublich schnell sein.“

2. Verwendung des Jupiters zur Messung der Lichtgeschwindigkeit

Die eigentliche Messung der Lichtgeschwindigkeit begann mit dem dänischen Astronomen Ole Rømer.

Im Jahr 1610 entdeckte Galileo mit seinem verbesserten Teleskop vier Jupitermonde, von denen Io dem Jupiter am nächsten ist und ihn alle 42,5 Stunden umkreist. Darüber hinaus liegt die Umlaufbahn von Io sehr nahe an der Umlaufbahn des Jupiters um die Sonne, sodass Io sich manchmal der Rückseite des Jupiters zuwendet und das Sonnenlicht Io nicht erreichen kann. Daher können die Menschen auf der Erde diesen Satelliten nicht sehen. Dies wird als Io-Eklipse bezeichnet.

Schauen wir uns ein schematisches Diagramm an. Die Erde bewegt sich gegen den Uhrzeigersinn um die Sonne A in einer Kreisbahn FGLK, und Io bewegt sich gegen den Uhrzeigersinn um Jupiter B. Der Bereich zwischen CD hinter Jupiter ist der Schatten des Jupiters. Wenn Io in diesen Schatten eintritt, kann das Sonnenlicht es nicht erreichen und die Menschen können es nicht sehen. Das heißt, wenn Io den Punkt C erreicht, verschwindet es, was als „Verschwinden“ bezeichnet wird. Wenn Io aus dem Schatten heraustritt, kann es von Menschen beobachtet werden, das heißt, es erscheint, wenn Io den Punkt D erreicht, was als „Erscheinen“ bezeichnet wird.

Romer nutzte dieses Phänomen, um die Lichtgeschwindigkeit zu messen.

Zunächst untersuchen wir das Verschwinden und Wiederauftauchen der Erde, wenn sie nahe an Jupiter vorbeizieht.

Wenn Io den Punkt C erreicht, tritt es in den Schatten ein und das Licht dieses Phänomens muss eine bestimmte Strecke zurücklegen, bevor es die Erde erreicht. Angenommen, die Erde befindet sich am Punkt F, wenn sich das Licht von C zur Erde ausbreitet, dann beobachten die Menschen das Verschwindephänomen etwas später als zu dem Zeitpunkt, an dem Io in den Schatten eintritt, und dieser Zeitraum entspricht dem Verhältnis der Länge von CF zur Lichtgeschwindigkeit.

Wenn Io Punkt D erreicht, tritt es aus dem Schatten und reflektiert erneut Sonnenlicht. Auch dieses Phänomen braucht eine Weile, um die Erde zu erreichen. Da sich die Erde bewegt und angenommen wird, dass sich die Erde am Punkt G befindet, wenn dieser Lichtstrahl die Erde erreicht, werden die Menschen das Schattenphänomen etwas später beobachten, als zu dem Zeitpunkt, an dem Io aus dem Schatten heraustritt. Dieser Zeitraum entspricht dem Verhältnis der Länge von DG zur Lichtgeschwindigkeit.

Da CF jedoch länger als DG ist, ist die Verzögerung des Verschwindephänomens länger als die des Erscheinungsphänomens, d. h. das Verschwinden wird später entdeckt und das Auftreten früher. Das Zeitintervall zwischen Verschwinden und Wiederauftauchen ist kürzer als die Zeit, die Io im Schatten verbringt. Wir können diese Beziehung mithilfe eines Liniendiagramms darstellen.

In ähnlicher Weise können wir das Verschwinden und Wiederauftauchen der Erde diskutieren, wenn sie sich vom Jupiter entfernt.

Wenn die Erde feststellt, dass Jupiter verschwindet, wenn sie L erreicht, und wieder auftaucht, wenn sie K erreicht, ist die Länge von LC kleiner als die Länge von KD, da sich die Erde von Jupiter entfernt. Wenn die Erde das Verschwinden früher und das Wiederauftauchen später entdeckt, ist das Zeitintervall zwischen Verschwinden und Wiederauftauchen länger als die tatsächliche Zeit, die Io im Schatten des Jupiters verbringt.

Von 1671 bis 1673 führte Rømer zahlreiche Beobachtungen durch und kam zu dem Schluss, dass der Zeitunterschied zwischen Verschwinden und Wiedererscheinen der Erde 7 Minuten länger war, als bei ihrer Annäherung, und dass die Lichtgeschwindigkeit in der Größenordnung lag.

Obwohl Newton und Huygens, zwei große Wissenschaftler, endlos darüber stritten, ob Licht ein Teilchen oder eine Welle ist, unterstützten beide Romers Methode zur Messung der Lichtgeschwindigkeit. Newton hat außerdem gemessen, dass das Licht 8 Minuten braucht, um von der Sonne zur Erde zu gelangen. Das bedeutet, dass die Sonne, die wir sehen, die Sonne von vor 8 Minuten ist.

3. Michelson- und Foucault-Experimente

200 Jahre später war es der amerikanische Physiker Michelson, der als erster die Genauigkeit der Lichtgeschwindigkeitsmessung deutlich verbesserte.

Von 1877 bis 1879 verbesserte Michelson den von Foucault erfundenen rotierenden Spiegel. Das schematische Diagramm sieht wie folgt aus:

Schematische Darstellung von Michelsons Gerät zur Messung der Lichtgeschwindigkeit

Michelson platzierte ein Oktaeder M1 und ein Reflektorelement M2M3 an zwei weit voneinander entfernten Stellen. Er ließ einen Lichtstrahl von Spiegel 1 im Oktaeder reflektieren und aussenden, dann durch M2 und M3 zum Oktaeder zurückreflektieren und gelangte nach der Reflexion durch Spiegel 3 in das Beobachtungsokular. Nur wenn sich das Beobachtungsokular in der in der Abbildung gezeigten Position befindet, wird Licht am Beobachtungsokular abgegeben. Wenn das Oktaeder ein wenig gedreht wird, kann das von der Schnittstelle 1 reflektierte Licht M2 nicht beleuchten und im Beobachtungsokular ist kein Licht sichtbar.

Wenn das Oktaeder gedreht und die Winkelgeschwindigkeit schrittweise erhöht wird, stellt man fest, dass mit einer bestimmten Winkelgeschwindigkeit wieder Licht aus dem Beobachtungsokular zu sehen ist. Dies liegt daran, dass bei einer Neigung der Schnittstelle 1 um 45 Grad das Licht von der Schnittstelle 1 reflektiert wird und M2 erreicht. Bei der Rückkehr zum Oktaeder dreht sich das Oktaeder nur um ein Gitter (1/8 Zyklus), sodass Schnittstelle 2 gerade zur Position von Spiegel 3 in der Abbildung läuft und das Licht in das Beobachtungsokular reflektiert. Aufgrund der Trägheit des Sehens erscheint es, als sei das Licht im Okular immer sichtbar.

Unter der Annahme, dass der Abstand zwischen dem linken und rechten Gerät L beträgt und die Rotationsperiode des Oktaeders T beträgt, kann Licht vom Beobachtungsspiegel aus gesehen werden. Da L viel länger ist als die Länge anderer Teile, beträgt die Entfernung, die das Licht von der Schnittstelle 1 nach links und dann zurück zum Oktaeder zurücklegt, ungefähr

S = 2L

Nach der Analyse von eben bewegt sich das Licht einmal hin und her, und der oktaedrische Spiegel bewegt sich nur ein Gitter, und die Zeit

t = T/8

Die Lichtgeschwindigkeit beträgt also

Basierend auf diesem Prinzip maß Michelson die Lichtgeschwindigkeit mit 299.853 ± 60 km/s, was sehr nahe an dem präziseren Wert liegt, den wir heute messen.

Heutzutage verwendet man präzisere Methoden, um die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum zu messen (299792458 m/s) und verwendet die Lichtgeschwindigkeit zur Definition des Begriffs „Meter“. 1 Meter entspricht der Entfernung, die Licht im Vakuum in 299.792.458 Sekunden zurücklegt. Bei sehr großen Entfernungen verwendet man das Konzept der Lichtjahre: 1 Lichtjahr entspricht ungefähr der Entfernung, die das Licht in einem Jahr zurücklegt. Wir können Sterne in Millionen Lichtjahren Entfernung sehen, weil diese Sterne vor Millionen von Jahren zu leuchten begannen und ihr Licht die Erde erst heute erreicht hat. Mit anderen Worten: Was wir sehen, ist, wie sie vor Millionen von Jahren aussahen. Ob es sie heute noch gibt, ist noch unbekannt!

ENDE

Quelle: Herr Li Yongle