Wieso ist Lichtgeschwindigkeit begrenzt?
Warum kann Licht keine Geschwindigkeit von exakt 300.000 Km/s oder mehr erreichen? Licht wiegt ja nichts. Wieso ist es limitiert?
8 Antworten
Guten Morgen, Jesko224!
Deine Frage ist eine gute Frage!
Zum einen muss man einmal wissen, dass sich Licht in unterschiedlichen Medien auch unterschiedlich schnell bewegt. Dies bedeutet, dass Licht z.B. im Wasser, in der Luft und im Vakuum unterschiedlich schnell ist bzw. sich an der möglichen Geschwindigkeit nichts ändert, Licht aber dadurch beeinflusst wird. Insofern hat das Medium, welches das Licht durchdringt, einen Einfluss darauf. Licht in der Quantenwelt ist ebenfalls anders zu bewerten als Licht im Vakuum. Und, man geht derzeit davon aus, dass das Licht eben im VAKUUM seine uns bisher höchst bekannte GEschwindigkeit erreicht hat. Wie sich Licht in anderen Medien oder uns bisher unbekannten Umgebungen verhält, wissen wir nicht. Soweit die Studien,Theorien korrekt sind.
Und, wenn man sich die Erzeugung von Licht anschaut, dann kann man feststellen, dass es bzgl. Maximalgeschwindigkeit an den Dingen, die dafür verantwortlich sind, liegen muss.
Und die Frage nach dem Warum muss man schon stellen, um diverse Dinge besser zu verstehen. Wenn man sich die Erzeugung von Licht betrachtet, dann versteht man diverse Dinge auch besser.
Ich beziehe mich darauf:
https://de.wikipedia.org/wiki/Photon
Photonen (von altgriechisch φῶς phōs „Licht“; Einzahl „das Photon“), auch Lichtquanten oder Lichtteilchen, sind anschaulich gesagt die Energie-„Pakete“, aus denen elektromagnetische Strahlung besteht.
Physikalisch wird das Photon als Austauschteilchen betrachtet. Nach der Quantenelektrodynamik gehört es als Vermittler der elektromagnetischen Wechselwirkung zu den Eichbosonen und ist somit ein Elementarteilchen. Das Photon hat keine Masse, [Anm. 1] aber eine Energie und einen Impuls – die beide proportional zu seiner Frequenz sind – sowie einen Drehimpuls. Ist sein Aufenthalt auf ein System mit endlichem Volumen beschränkt, liefert es proportional zu seiner Energie einen Beitrag zur Masse des Systems.
Insofern "vermute" ich, dass die von uns derzeit gemessene Maximalgeschwindigkeit an diesen Faktoren liegen muss.
Ich bin kein Physiker und mein Verständnis ist leider auch begrenzt, aber ich meine dennoch, dass diverse Dinge einen Einfluss darauf haben. Beschäftigt man sich dann weiter mit Frequenz, Masse, Energie, Impuls usw. und eben genau der Entstehung der Geschwindigkeit und den Faktoren, die dafür verantwortlich sind, dann kommt man auf das "warum".
Interessant dazu ist auch:
https://de.lambdageeks.com/what-is-the-wavelength-of-photon/
https://www.sofatutor.com/physik/videos/photon
https://lambdageeks.com/how-to-calculate-velocity-of-photons/
Insofern sind Photonen begrenzt, da diverse Umstände einen Einfluss darauf haben.
Wir wissen, wie schnell das Licht ist und dass die Lichtgeschwindigkeit absolut ist. Warum sie als Naturkonstante jedoch genau diesen Wert hat und warum sie im Gegensatz zur Raumzeit absolut ist, wissen wir nicht. Die Physik selber befasst sich mit den gegebenen Tatsachen und fragt nicht weiter nach dem "Warum", da ist schon eher die Philosophie gefragt.
Es gibt jede Menge fundamentaler Parameter (Naturkonstanten) die bestimmen, welche Eigenschaften unser Universum hat. Und bei den meisten würde schon eine winzige Änderung reichen (z.B. eine um 1% veränderte Lichtgeschwindigkeit), um es völlig anders aussehen zu lassen. In den meisten Fällen so anders, das Leben nicht möglich wäre.
Da könnte man genauso gut fragen, warum sie nicht 100.000 km/s ist oder 5.646.990 km/s.
Oder warum andere Naturkonstanten eben genau den Wert haben den sie haben oder warum es überhaupt Atome und Strahlung oder Raum und Zeit gibt.
Ich würde darauf antworten: Wären die Dinge anders, könnte vielleicht niemand eine solche Frage stellen. Wäre die Lichtgeschwindigkeit kleiner oder größer, würden sich die Dinge in unserem Universum ganz anders entwickeln und uns gäbe es dann womöglich nicht.
Das ist natürlich keine befriedigende Antwort warum die Dinge eben so sind, wie sie sind. Aber spinnt man den Gedanken weiter kommt man ziemlich schnell zu der Frage, warum überhaupt irgendetwas ist oder warum ist nicht Nichts oder was der Sinn des ganzen sein soll oder ob ein intelligenten Schöpfer sich das alles ausgedacht hat.
Ich denke, man wird sich letztendlich damit abfinden müssen, dass wir bestimmte Dinge als gegeben hinnehmen müssen und den Grund warum sie so sind wie sie sind nicht erfahren können.
Es gibt kein Wieso. Naturgesetze sind wie sie sind.
Die sogenannte Lichtgeschwindigkeit ist die Geschwindigkeit, mit der Realität sich ausbreitet. Nichts was Ruhemasse* hat kann diese Geschwindigkeit erreichen, und nur weil Photonen keine Ruhemasse haben, haben sie diese Geschwindigkeit, daher der Name.
Der Name kommt auch daher, dass man früher glaubte, das Licht brauche ein absolut stationäres Medium, in dem sich elektromagnetische Wellen ausbreiten (so wie Schallwellen in Luft), den sog. Äther. Die Frage, woran so ein stationärer Äther räumlich festgemacht sei, führte zum Michelson-Morley Experiment, bei dem eigentlich erwartet wurde, dass mit der Geschwindigkeit der Erde durch den Äther unterschiedliche Geschwindigkeiten des Lichts in unterschiedliche Richtungen gemessen würden. Überraschung: kein Unterschied, also kein Äther (es sei denn er würde zufällig ausgerechnet an der Erde festgemacht sein). Daraus geht nicht nur hervor, dass es keinen Äther gibt, sondern dass diese Geschwindigkeit eine in allen Inertialsystemen gleiche Naturkonstante und damit nicht überholbar ist, denn wenn man versucht den Strahl einer Taschenlampe mit dem Auto zu überholen, ist er relativ zum Auto genauso schnell wie relativ zur Taschenlampe.
Erst hier setzt die spezielle Relativitätstheorie an, die mit recht einfacher Mathematik (Lorentz-Transformationen) darlegt, was das für Auswirkungen auf Zeiten und Längen (und auch die kinetische Energie*) in bewegten Systemen hat.
*) Kinetische Energie von Objekten mit Ruhemasse enthält einen Term der Lorentz-Transformation wie Zeiten und Längen. Wenn man ein Fahrzeug in die Nähe der Lichtgeschwindigkeit beschleunigt, geht mit wachsender Geschwindigkeit ein immer größerer Anteil der zugeführten Energie in immer weniger Geschwindigkeitszuwachs und lässt für den äußeren Beobachter das Fahrzeug immer träger erscheinen - die Lichtgeschwindigkeit wird nie erreicht.
Es ist einfach so. Wir können bisher nicht erklären, warum die Welt so oder so beschaffen ist. Das ist auch streng genommen nicht die Aufgabe der Physik - ihr kommt lediglich eine beschreibende Funktion zu.
Es kann natürlich sein, dass wir irgendwann deine Frage aufgrund höherer Gesetze beantworten können, jedoch stellt sich dann unmittelbar die Frage, warum diese gelten.
In der Physik muss man einfach hinnehmen, was Faktum ist. Sie stützt sich auf Gesetze, die ihrerseits nicht weiter begründbar sind. Beweisbar ist hier gar nichts. Wenn du das magst, musst du Mathematik betreiben.