Warum ist das Erreichen der Lichtgeschwindigkeit unmöglich?
Ich habe gelernt, dass sich nichts, das Masse besitzt, mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegen kann. Aber dadurch, dass Photonen sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegen, haben sie doch kinetische Energie und Energie kann man in Masse umrechnen, das heißt, Photonen haben Masse. Wie können sie sich dann mit Lichtgeschwindigkeit bewegen?
Und warum ist es überhaupt unmöglich, Lichtgeschwindigkeit zu erreichen? Ich habe immer nur gehört, dass man dafür unendlich viel Energie bräuchte, aber warum eigentlich? Lichtgeschwindigkeit ist ja selbst endlich, also warum ist die Energie dahinter unendlich? Und woher bekommen Photonen so viel Energie? Sind das nicht Unmengen an Energie? Warum reicht dann eine Batterie, um eine Taschenlampe anzuschalten?
6 Antworten
Hallo Freund456,
das Wort "Masse" schafft hier viel Verwirrung. Die SRT hat aufgedeckt, dass Masse und Energie dieselbe physikalische Größe ist.
Die Masse eines Körpers oder Teilchens ist gleichsam kondensierte Energie, seine Ruheenergie E₀ – und genau die ist das, was Photonen nicht haben.
Aber jede Energie "wiegt was" bzw. trägt zur Trägheit des Körpers oder Teilchens bei, nur ist das bei "handelsüblichen" Energien sehr wenig, etwas über 10⁻¹⁷kg/J oder 2.5⨯10⁻¹⁰kg/kWh.
Und warum ist es überhaupt unmöglich, Lichtgeschwindigkeit zu erreichen? Ich habe immer nur gehört, dass man dafür unendlich viel Energie bräuchte, aber warum eigentlich?
Es kommt für das Tempo v = βc eines Körpers₁ oder Teilchens relativ zu einer Bezugs-Uhr U auf das Verhältnis zwischen der Gesamtenergie E = E₀ + Eₖ und E₀ an. Dieses ist
(1.1) E⁄E₀ = γ := 1/√(1 − β²),
und nach β aufgelöst ergibt das
(1.2) β = √(1 − E₀²⁄E²).
Wenn z.B. die kinetische Energie ¼ der Ruheenergie ist, ergibt sich daraus β=⅗, d.h., der Körper ist relativ zu U mit 60% der Lichtgeschwindigkeit c unterwegs.
Ein massives Teilchen, dessen kinetische Energie seine Ruheenergie bei weitem übersteigt, ist so schnell, dass sich sein Tempo von c kaum unterscheidet.
Was jedoch keine Ruheenergie hat, kann nur mit c unterwegs sein.
-- Baustelle --
Es gibt wirrklich Phänomene, bei denen man auf die Frage "warum" keine befriedigende Antwort erhalten kann, weil es einfach "so ist".
Das gilt für alle Naturgestze, wie z.B. auch die Existenz der Schwerkraft.
Naturgesetze kann man nicht erklären.
Und auch die Erklärung mit der Massen-Zunahme bei steigender Geschwindigkeit (Einsteins Relativitätstheorie) reicht nicht zur Erklärung - wie will man denn diese Zunahme der Masse erklären und vestehen?
Der Mensch neigt zwar dazu (und das ist ja auch gut so) immer zufragen "warum", aber an irgendeinem Punkt ist dann Schluss und man muss einfach akzeptieren, dass es so ist (weiteres Beispiel zu Naturgesetzen: Magnetismus).
Verstehen tue ich es auch nicht so wirklich, aber Photonen können es, weil sie keine Ruhemasse haben, die "Masse" ergibt sich erst aus der Bewegung. Ein Objekt mit Masse kann nicht auf c beschleunigt werden.
Warum-Fragen sind sinnlos. Naturwissenschaft beantwortet Wie-Fragen.
Was hat eine Batterie mit deiner Frage zu tun? Der Energiefluss ist eindeutig. Chemische Energie wird in elektrische Energie umgewandelt. Diese erzeugt Wärme-Energie, welche Elektronen anregt und dabei Licht erzeugt.
Wenn man eine Masse beschleunigt benötigt man Energie. Wird die Geschwindigkeit sehr hoch spielt der Faktor 1/(c² - v²) eine Rolle. Wenn v so groß wird wie c (Lichtgeschwindigkeit), dann würde man durch 0 dividieren, was nicht möglich ist. Populär würde man "unendlich" sagen. Wenn die Differenz sehr klein ist, dann ist der Faktor aber sehr groß. So viel Energie gibt es nicht.
Masse ist als Ruhemasse in Energie umrechenbar: E = m*c². Licht hat keine Ruhemasse.
Energie kann man in Masse umrechnen, das heißt, Photonen haben Masse
nein, haben sie nicht.
die verwirrung kommt daher dass physiklehrer und populärwissenschaftliche bücher immer noch einen massebegriff propagieren den in der physik seit hundert jahren niemand verwendet.
"masse", so wie man den begriff in der physik korrekt verwendet, ist unabhängig von der energie und für jedes teilchen immer dieselbe. und für photonen ist sie 0. nur mit diesem begriff von masse stimmt der satz:
nichts, das Masse besitzt, mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegen kann
Lichtgeschwindigkeit ist ja selbst endlich, also warum ist die Energie dahinter unendlich?
die energie eines objekts mit masse nimmt aber nicht quadratisch mit der geschwindigkeit zu wie in der Newtonschen mechanik, sondern geht wie
E=mc²/Wurzel(1-(v/c)²)
stelle die formel nach v um, dann erhältst du
v=c*Wurzel(1-(mc²/E)²)
dann siehst du dass für jedes objekt mit m>0 die geschwindgkeit v immer kleiner als c ist, egal wie groß E auch wird. objekte mit masse erreichen niemals lichtgeschwindigkeit, egal welche energie
und gleichzeitig siehst du dass für m=0 immer gilt v=c, völlig unabhängig von E. objekte ohne masse bewegen sich immer mit lichtgeschwindigkeit, egal welche energie
Und woher bekommen Photonen so viel Energie?
photonen haben nicht unendlich viel energie.