Gedankenexperiment: Beleuchtung in einem Raumschiff?
Nehmen wir mal an, wir sind in einem Raumschiff, das mit halber Lichtgeschwindigkeit fliegt. Nun haben wir eine Beleuchtung in unserem Raumschiff, die natürlich Photonen aussendet, die mit Lichtgeschwindigkeit fliegen.
Aber diese Lichtgeschwindigkeit ist ja absolut, das bedeutet, das die Photonen trotz der zusätzlichen Bewegung durch das Raumschiff keine 1,5-fache Lichtgeschwindigkeit drauf haben.
Wird das Licht dann einfach gestaucht und wir haben durch den Dopplereffekt einfach eine blaue Beleuchtung in unserem Schiff? Oder was würde passieren?
7 Antworten
Hallo 0Meeri7,
ein Bordlicht würde keinerlei Effekte zeigen, denn Fortbewegung ist relativ. Von zwei relativ zueinander geradlinig- gleichförmig bewegten Körpern B und B' kannst du
- entweder B als ruhend und B' als mit konstanter 1D-Geschwindigkeit v bewegt
- oder B' sls ruhend und B als mit konstanter 1D-Geschwindigkeit −v bewegt
ansehen. GALILEIs (!) Relativitätsprinzip (RP) sagt hier vor allem aus, die grundlegenden Beziehungen zwischen physikalischen Größen (nichts anderes sind Naturgesetze) unabhängig davon sind, ob wir B oder B' als ruhend ansehen.
Nehmen wir mal an, wir sind in einem Raumschiff, das mit halber Lichtgeschwindigkeit fliegt.
Wegen des RP müssen wir dann dazu sagen, relativ zu was es sich mit 0,5c bewegt (c ist das Ausbreitungstempo elektromagnetischer Wellen im materiefreien Raum, etwas ungenau "Lichtgeschwindigkeit" genannt).
Zum Beispiel relativ zu einem weiteren Raumfahrzeug mit abgeschaltetem Antieb, das wir mit B identifizieren; "Dein" Raumfahrzeug identifizieren wir natürlich mit B'.
Wann ein DOPPLER-Effekt auftrittWird das Licht dann einfach gestaucht und wir haben durch den Dopplereffekt einfach eine blaue Beleuchtung in unserem Schiff?
Die Bordlampe von B' bewegt sich natürlich mit derselben Geschwindigkeit (einschließlich der Richtung) wie B' selbst, d.h., relativ zu B' bewegt sie sich nicht Das bedeutet, dass keinerlei DOPPLER-Effekt auftritt.
Nur das Licht von Lichtquellen, auf die Du Dich zu bewegst bzw. die sich auf Dich zu bewegen – was wegen des RP physikalisch keinen Unterschied macht – ist blauverschoben (was übrigens nicht zwangsläufig bedeutet, dass ihr Licht bläulich aussieht; jedes elektromagnetische Signal solcher Quellen wird in seiner Wellenlänge um denselben Faktor gestaucht, z.B. auch vom Infraroten ins Rote).
Was "absolut" bedeutetAber diese Lichtgeschwindigkeit ist ja absolut, das bedeutet, das die Photonen trotz der zusätzlichen Bewegung durch das Raumschiff keine 1,5-fache Lichtgeschwindigkeit drauf haben.
Dass das Licht der Bordlampe von B' relativ zu B nicht mit 1,5c, sondern nur mit c unterwegs ist, sagt zunächst einmal nur aus, dass sein Tempo nicht von der Bewegung der Quelle abhängt.
Dies war freilich auch die Annahme der klassischen Äthertheorie, die von der Existenz einer Supersubstanz namens Äther als Ausbreitungsmedium des Lichts ausging und die natürlich im Widerspruch zum RP steht. Ihr zufolge sollte sich das Licht relativ zu B' selbst mit einem Tempo zwischen c − v = 0,5c (in Bewegungsrichtung) und c + v = 1,5c (gegen die Bewegungsrichtung) ausbreiten, falls B relativ zum Äther ruht.
-- Baustelle --
Das Licht bewegt sich für die Person die im Raumschiff ist ganz normal mit c in alle Richtungen aus. Für die Person ist es also egal ob das Raumschiff in Ruhe ist oder nicht die Beobachtung bleibt gleich.
Die Unterschiede entstehen erst wenn ein externer Beobachter das Licht im Raumschiff betrachtet, dann kommen so Dinge wie optischer Dopplereffekt, Zeitdilatation usw. ins Spiel.
Nein eben nicht. Photonen bewegen sich in jedem Bezugssystem mit Lichtgeschwindigkeit das ist im wesentlichen die Grundlage der Relativitätstheorie.
Die heißt eben so weil jede Bewegung relativ ist. Wenn du stehst bewegst du dich zur Erde mit 0m/s. Die Erde und damit du bewegt sich mit 30 000m/s um die Sonne. Du bewegst dich dabei mit 99% der Lichtgeschwindigkeit gegenüber Teilchen im Weltall usw.
Wie definierst du also 50% der Lichtgeschwindigkeit? Man definiert sie immer gegen einen Punkt, denn so etwas wie eine absolute Geschwindigkeit gibt es nicht.
Die Lichtgeschwindigkeit oder, präziser ausgedrückt, das Ausbreitungstempo elektromagnetischer Wellen, ist absolut. Die Frage ist nur, was das Wort "absolut" hier bedeutet.
Es kann nämlich zweierlei bedeuten:
- Die elektrische Ladung eines Körpers oder Teilchens ist in dem Sinne absolut, dass sie in zwei verschiedenen Koordinatensystemen Σ und Σ' denselben Wert hat.
- Im 19. Jahrhundert glaubten viele Physiker an eine allgegenwärtige Supersubstanz namens Äther durch die sich Licht ausbreite. Ein Koordinatensystem Σ₀, in dem dieser Äther ruht, wäre demnach ein besonderes, in dem die grundlegenden Beziehungen zwischen physikalischen Größen (nichts anderes sind Naturgesetze) eine besonders symmetrische Form hätten. Die Geschwindigkeit eines Körpers in Σ₀ wäre demnach seine absolute Geschwindigkeit. GALILEIs Relativitätsprinzip (RP) wäre laut klassischer Äthertheorie kein allgemeines Prinzip, sondern gälte nur näherungsweise für Koordinatensysteme, deren Ursprünge sich relativ zu dem von Σ₀ nur langsam bewegen, im Vergleich zur Lichtgeschwindigkeit natürlich.
Sollte zur Umrechnung zwischen verschiedenen Koordinatensystemen die GALILEI- Transformation die korrekte Methode sein, kann ein Tempo nur im zweiten Sinne absolut sein. Um von Σ₀ in ein anderes Koordinatensystemen Σ₁, dessen Ursprung sich mit konstanter Geschwindigkeit v› relativ zu dem von Σ₀ bewegt, umzurechnen, müssen wir v› von allen Geschwindigkeiten vektoriell subtrahieren, und dadurch ändern sich fast immer auch ihre Beträge.
Experimente konnten freilich keine Abweichungen vom RP finden. Daher muss das Ausbreitungstempo elektromagnetischer Wellen im ersten Sinne absolut sein; dass liegt daran, dass die elektromagnetische Wellengleichung direkt, ohne Bezug auf irgendwelche Materialien, aus MAXWELLs Grundgleichungen der Elektrodynamik folgt, also Naturgesetzen. Das macht auch die Wellengleichung zum Naturgesetz.
Wichtig ist freilich nicht, dass der Beobachter extern ist, sondern dass er die Bewegung des Raumfahrzeugs nicht mitmacht.
Anders formuliert, dass er sich relativ zum Raumfahrzeug bewegt, da Bewegung ja relativ ist, d.h. da wir statt den externen Beobachter als ruhend und das Raumfahrzeug als mit 1D-Geschwindigkeit v bewegt zu betrachten, wir auch das Raumfahrzeug als ruhend und den externen Beobachter als nit −v bewegt betrachten können.
du bewegst dich in diesem moment gerade nicht nur mit halber lichtgeschwindigkeit, sondern sogar mit 99,999...% der lichtgeschwindigkeit (zB relativ zu den teilchen der kosmischen strahlung die auf die erde treffen).
also mach doch einfach ein experiment: nimm eine taschenlampe oder beliebige andere lichtquelle und schalte sie ein, und beobachte ob du aufgrund deiner extremen geschwindigkeit irgendwelche seltsamen effekte beobachtest.
für die Besatzung ändert sich nichts. Die Beobachter auf dem Planeten, an dem das Schiff vorbeifliegt, sehen die Beleuchtung bei Annäherung blauverschoben, bei Entfernung rotverschoben. Und so stellt man auch radiale Geschwindigkeitskomponenten zB bei Doppelsternen fest.
Der Dopplereffekt sagt Dir was, oder? Zum Beispiel klingt eine Feuerwehr- Polizeisirene oder Krankenwagensirene etwas höher, wenn das entsprechende Fahrzeug auf einen zu fährt, als wenn sich das betreffende Fahrzeug entfernt, oder?
So ähnlich ist es auch mit Sternen, die, je schneller sie sich von uns entfernen, umso rotverschobener erscheinen. Nähern sich diese uns aber an, so erscheint uns deren Licht entsprechend blauverschoben, was man anhand von Spektrallinien ermitteln kann.
In einem Raumschiff, das mit halber Lichtgeschwindigkeit unterwegs ist, wo also die relativistischen Effekte auf die Raumzeit noch recht begrenzt sind, wird man schon einen gewissen, wenn auch recht geringen Unterschied bemerken, wenn man sich in diesem Raumschiff vor oder hinter einer Lichtquelle befindet. Vor der Lichtquelle wird die Wellenlänge etwas gestaucht, also das Licht blauverschoben erscheinen, und hinter der Lichtquelle wird die Wellenlänge etwas gedehnt, also das Licht etwas rotverschoben erscheinen. Im Falle der Reisegeschwindigkeit von 0,5c etwa um den Faktor 0,1547.
Wird das Licht dann einfach gestaucht und wir haben durch den Dopplereffekt einfach eine blaue Beleuchtung in unserem Schiff?
Ja, der sagt mir was.
Aber relativ zu den Photonen außen bewegt es sich dann doch schneller als die normale Lichtgeschwindigkeit, und das geht doch nicht, oder?