Akademik

Lichtgeschwindigkeit,

 

die Geschwindigkeit, mit der sich Licht und elektromagnetische Wellen ausbreiten. Die Lichtgeschwindigkeit im unbegrenzten Vakuum, die Vakuumlichtgeschwindigkeit, Formelzeichen c oder c₀, beträgt c = 299 792 458 m/s. Dieser Wert wurde von der 17. Generalkonferenz für Maß und Gewicht (CGPM) 1983 nach den seinerzeit genauesten Messungen fehlerfrei und unveränderlich als Vakuumlichtgeschwindigkeit definiert und zur Festlegung der Längeneinheit Meter benutzt. Die Vakuumlichtgeschwindigkeit (sie ist im Allgemeinen gemeint, wenn man von der Lichtgeschwindigkeit schlechthin spricht) ist als universelle Naturkonstante nach der speziellen Relativitätstheorie die obere Grenze der Geschwindigkeit, mit der sich Energie in irgendeiner Form, also auch ein Signal, ausbreiten kann. Sie ist invariant bezüglich der Lorentz-Transformation, d. h., sie hat in allen Bezugssystemen denselben Wert. Massive Körper (d. h. Teilchen mit Ruhemasse) können diese Geschwindigkeit nicht erreichen, sondern sich ihr nur asymptotisch nähern. Zwischen der Frequenz ν und der Wellenlänge λ jedes Lichts beziehungsweise jeder elektromagnetischen Strahlung und der Lichtgeschwindigkeit gilt im Vakuum die Beziehung c = ν · λ, mit dem obigen Wert für c; d. h., das Vakuum ist dispersionsfrei, in ihm sind Phasengeschwindigkeit c_ph und Gruppengeschwindigkeit c_gr gleich. Für Medien mit der (im Allgemeinen wellenlängenabhängigen) Brechzahl n gilt c_ph = c / n. Sie ist im Vakuum (n = 1) mit c identisch, in Materie im Allgemeinen kleiner (n > 1), selten größer (n 1) als c. Die Gruppengeschwindigkeit ist in Materie stets kleiner als c und nur im Vakuum gleich c. (Überlichtgeschwindigkeit)

 

Geschichte:

 

Nach vergeblichen Versuchen zur Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit durch G. Galilei errechnete erstmals O. Römer 1675/76 die Lichtgeschwindigkeit aus Beobachtungen der Verfinsterungen eines Jupitermondes, nachdem er entdeckt hatte, dass die Intervalle zwischen den Verfinsterungen anwuchsen, wenn sich die Erde auf ihrer Bahn vom Jupiter entfernte, und abnahmen, wenn sie sich ihm näherte. 1728 bestimmte der Astronom J. Bradley die Lichtgeschwindigkeit aus der Aberration des Sternlichts. Die erste terrestrische Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit erfolgte 1849 durch H. Fizeau, der mit seiner Zahnradmethode das Licht durch ein rasch rotierendes Zahnrad in einzelne Lichtimpulse zerlegte, die an einem etwa 9 km entfernten Spiegel reflektiert wurden: Die Laufzeit vom Zahnrad zum Spiegel und zurück konnte aus der inzwischen erfolgten Drehung des Zahnrades ermittelt werden. L. Foucault (1850) verwendete anstelle des Zahnrads einen rotierenden Spiegel; seine Drehspiegelmethode wurde durch A. A. Michelson (1878-82 und 1927) zu höchster Präzision entwickelt. Neuere Verfahren benutzten Kerr-Zellen zur Lichtunterbrechung (A. Karolus und O. Mittelstaedt, 1928; W. C. Anderson, 1941, E. Bergstrand, 1950), ermittelten die Lichtgeschwindigkeit aus der Resonanzfrequenz von elektrischen Hohlraumresonatoren (L. Essen, 1950) beziehungsweise aus Frequenz und Wellenlänge in einem Mikrowelleninterferometer (K. D. Froome, 1952-62). Der für die Meterdefinition benutzte endgültige Wert der Lichtgeschwindigkeit beruht auf der gleichzeitigen Messung von Frequenz und Wellenlänge eines Helium-Neon-Lasers, dessen Emission auf der Absorptionslinie von Methan bei 3,39 μm stabilisiert war. Dabei wurde die Wellenlänge interferometrisch mit dem Längenstandard der roten Kryptonlinie (λ = 605,7 nm) verglichen, während zur Frequenzmessung der Cäsium-Frequenzstandard (Cäsiumatomuhr) zugrunde gelegt wurde (1972).