Warum ist Lichtgeschwindigkeit immer gleich schnell?

8 Antworten

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Das Licht bewegt sich im Vakuum mit exakt 299792,458 km pro Sekunde - niemals schneller und niemals langsamer. Warum das so ist, weiß bis heute niemand.

Die Kenntnis der Realtivitätstheorie hilft da auch nicht weiter, denn sie erklärt nicht warum das so ist, sondern setzt dies als Annahme voraus. Allerdings sprechen bislang sämtliche Beobachtungen und Messungen dafür, dass sie diese Annahme zu Recht trifft.

Auch die Kenntnis der Quantenmechanik hilft nicht weiter. Auch sie erklärt diesen Umstand nicht sondern setzt ihn als gegeben voraus. Selbst Einstein selber scheiterte an dem Versuch, mit Hilfe der Quantenmechanik diesen Umstand der konstanten Lichtegschwindigkeit zu erklären. Im fortgeschrittenem Alter stellte er fest: "Fünfzig Jahre intensiven Nachdenkens haben mich der Antwort auf die Frage "was sind Lichtquanten?" nicht näher gebracht. Natürlich bildet sich heute jeder Wicht ein, er wisse die Antwort. Doch da täuscht er sich."

Ergänzung:

Es gibt halt nun einmal sogenannte Naturkonstanten oder Naturgesetze die so sind wie sie eben sind.

Diese Naturgesetze sind die Grundlage dafür, das unser Universum eben gerade so fuktioniert wie es eben funktioniert.

Wenn Du diese Grundlagen änderst würde das Universum auch funktionieren, nur eben anders.

Es gibt halt Dinge, die haben keine Ursache. Diese Dinge sind dann die Ursache für alles andere.

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Die Konstanz der Lichtgeschwindigkeit steckt als Postulat in der Relativitätstheorie drin. Die spezielle Relativitätstheorie hat zwei Postulate („Lichtgeschwindigkeit ist für jeden immer gleich groß“ und „Jeder sieht dieselben Naturgesetze, unabhängig von seinem Bewegungszustand“), und für die All­gemei­ne Relativitätstheorie kommt dann noch ein drittes dazu, nämlich daß Be­schleu­ni­gung und Gravitation lokal un­unter­scheidbar sind (Du kannst nicht unter­scheiden, ob Deine Raumschiff auf der Erde steht oder im Weltraum mit 1 g beschleunigt, ohne aus dem Fenster zu sehen).

Daß Einstein die Relativitätstheorie aus genau diesen Postulaten gebaut hat, lag an zwei Gründen: Erstens legten die Maxwell-Gleichungen so etwas nahe, und zwei­tens gab es experimentelle Hinweise darauf. In der Zwischenzeit wurde das immer genauer gemessen und immer wieder bestätigt.

Nun wissen wir aber, daß die ART irgendwann durch eine Theorie der Quanten­gravi­ta­tion ersetzt werden wird. Was diese Theorie dann aus der Lichtgeschwin­dig­keit machen wird, ist völlig offen. Die meistversprechenden Ansätze machen dazu ver­schie­dene Aussagen: Die Super­string-Hypothese baut ebenfalls auf kon­stanter Licht­geschwin­dig­keit auf, die Quantenschleifen-Gravitation sagt da­ge­gen eine Fre­quenz­abhän­gig­keit der Lichtgeschwindigkeit voraus. Ver­schie­de­­ne Ver­suche, den letzteren Effekt zu messen, sind alle gescheitert, er muß also wenn über­haupt exxxtrem winzig sein.

Beantwortet nicht wirklich did Frage ob die Konstante der Lichtgeschwindigkeit in einem Medium an der Masselosigkeit des Lichts liegt.

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@mulano

In Deiner Frage kommt das Wort „Medium“ nirgendwo vor — im Medium hängt die Licht­geschwin­dig­keit ja von allem möglichen ab, z.B. Konzentration, Temperatur, Druck. Wenn man von der „Konstanz der Licht­geschwin­dig­keit“ spricht, dann meint man daher immer die Licht­geschwin­dig­keit im Vakuum.

Im Formalismus der Relativitätstheorie kommt tatsächlich heraus, daß Licht­geschwin­dig­keit nur für masselose Teilchen möglich, für die aber verpflichtend ist. Das folgt aus der relativistischen Energie–Impuls-Beziehung

E² = p²c² + m²c⁴

Dabei steht im rechten Summanden die Ruhemasse m, die für Licht natürlich Null ist. Daher ist E=pc, und mit E=hν und c=νλ kommt man damit sofort zum bekann­ten Aus­druck für den Photonen­impuls bzw. Strahlungs­druck p=h/λ. Der Impuls hängt also von der Wellenlänge ab, eine Geschwindigkeit kommt gar nicht ins Spiel (in diesem Absatz ist ν ein griechisches ny, der Kuckuck soll den blöden Font hier holen, bei dem das ν wie ein vau aussieht).

Bei einem massiven Teilchen ist das aber anders. Für kleine Geschwindigkeiten (pc≪mc²) kommt man durch leichtes Umformen und p=m·v

E = mc²·√(1+p²c²·m⁻²·c⁻⁴) = mc²·√(1+p²·m⁻²·c⁻²) = mc²·√(1+v²/c²)

und mit der Taylor-Entwicklung √(1+x)=1+½x+… zu

E = mc²·(1+½v²/c²) = mc² + ½mv²

also zur bekannten Formel für die kinetische Energie ½mv² (plus die invariante Ruhe­energie mc²).

Aber das sind keine Ableitungen, sondern nur Demonstrationen, daß die Relativitäts­theorie für massefreie Teilchen die klassische Gleichung des Licht­impul­ses und für massive nicht­relati­visti­sche (=lang­same) Teilchen die Gleichun­gen der Newtonschen Mechanik reproduziert. Warum sie das tut, habe ich bereits ganz am Anfang gesagt: Weil sie so konstruiert ist. In der obigen „Ableitung“ habe ich, wenn Du genau hinsiehst, all das, was am Ende rauskommt, irgendwo im Rechengang selbst reingesteckt, und anders geht es auch gar nicht.

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Beschleunigung heisst, dass der Stein schneller wird, nachdem er Deine Hand verlassen hat? Woher kommt die Kraft dazu zu beschleunigen? Man könnte höchstens die Erdanziehung nehmen, um eine Kraft (und damit eine Beschleunigung) nach unten zu berücksichtigen.

Licht wird übrigens als dual betrachtet, sowohl als Welle als auch gleichzeitig als Teilchen. Woher kommt die Ablenkung von Licht, wenn es an massereichen Objekten vorbeikommt, wenn es selbst keine Masse hat? Gravitationslinsen-Effekt?!

Die Lichtgeschwindigkeit wurde gemessen. Sie ist ganz minimal abhängig/unterschiedlich von dem zu durchquerenden "Medium".

Und dass sie im Prinzip konstant ist, ergibt sich aus Einsteins Relativitätstheorie. Also logisch bzw. mathematisch hergeleitet.

Ich kenne mich mit der Relativitätstheorie aber nicht aus.

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Bedeutet also man nimmt dies einfach hin da sie mathematisch notwendig ist damit einsteins theorie funktioniert?

Interessant, kein wunder das er dafür kein nobelpreis bekam.

Ich hab mehr dahinter vermutet haha

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@Nayes2020

Physikalische Messungen haben die RT aber extrem gut bestätigt.

Und die Technnik Deines Handys und Deines PC's und Dein Navi (GPS!) basieren alle auf der RT. Würde sie nicht stimmen, würde sehr viel anders funktionieren.

Es ist also nicht einfach ein "Hinnehmen"!.

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@Nayes2020
Bedeutet also man nimmt dies einfach hin da sie mathematisch notwendig ist damit einsteins theorie funktioniert?

Klingt in dieser Formulierung fast so, ist aber falsch.

Vielmehr ist die Relativitätstheorie mathematisch notwendig, damit das Ausbreitungstempo elektromagnetischer Wellen invariant gleich c sein kann, was notwendige Bedingung dafür ist, dass Galileis Relativitätsprinzip, also ein gut klassisches Grundprinzip, auch für die Maxwell-Gleichungen gelten kann.

Die sind nämlich nicht invariant unter der Galilei-Transformation, wohl aber unter der Lorentz-Transformation.

Interessant, kein wunder das er dafür kein nobelpreis bekam.

Das ist freilich nicht Einsteins Schuld, sondern die seiner zahlreichen Gegner unter den lieben Kollegen, die man wohl nicht vergrätzen wollte.

Im Raum stand der NP übrigens gar nicht für die Spezielle Relativitätstheorie, um die es hier geht, sondern für die Allgemeine Relativitätstheorie, die Einstein erst ein paar Jahre zuvor veröffentlicht hatte.

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So „minimal“ ist die Verlangsamung des Lichts im Medium auch wieder nicht. In Wasser ist das Licht nur 225000 km/s schnell, im Diamanten gar nur 125000 km/s, gegenüber den bekannten 300000 km/s im Vakuum.

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Im gleichen Medium ist das Licht aber immer gleich schnell?

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@mulano

Da es nicht abgeremst wird/werden kann, sondern höchstens abgelenkt: Ja.

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@mulano

Kommt auf die Temperatur an, denn die beeinflusst die Dichte. Gleiches Tempo im gleichen Medium relativ zu ebendiesem Medium, also mit bevorzugtem Bezugssystem, ist freilich hat nichts Besonderes, das gilt für Schall auch.

Licht wird aber gar nicht durch das Medium übertragen, sondern ausschließlich behindert.

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Licht wird übrigens als dual betrachtet, sowohl als Welle als auch gleichzeitig als Teilchen.

Das liegt aber mehr an unseren Vorstellungen von Teilchen und Wellen als Murmeln und Wasser - oder Schallwellen. Quanten sind weder noch. Sie haben aber Eigenschaften von beidem.

Übrigens gilt das nicht nur für Licht. Auch Materieteilchen haben einen Wellencharakter. Anderenfalls wären Atome nicht stabil, wie kurz nach der Etablierung des Sonnensystem-Modells auffiel.

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Und dass sie im Prinzip konstant ist, ergibt sich aus Einsteins Relativitätstheorie.

Umgekehrt.

Erst kommt Galileis Relativitätsprinzip, demzufolge Naturgesetze unabhängig vom Bezugssystem sind.

Dann stellt sich heraus, dass die elektromagnetische Wellengleichung mit c als Ausbreitungstempo direkt, ohne weitere Vorbedingungen aus Naturgesetzen folgt und daher selbst eines ist.

Folglich muss c als Ausbreitungstempo elektromagnetischer Wellen unabhängig vom Bezugssystem sein.

Daraus erst folgt die Spezierlle Relativitätstheorie.

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Die Wissenschaft hat bisher keine Erklärung für die Konstanz der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum, weiss aber, daß sie in dichten Medien geringer ist.

Den Beweis kann man bisher nur durch Messungen führen.

Die Wissenschaft hat bisher keine Erklärung für die Konstanz der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum,…

Das gilt nur, wenn man die Maxwell- Gleichungen nicht als Erklärung akzeptiert, weil für diese keine grundlegende Erklärung zur Verfügung steht.

Dass

div(E›) = ρ/ε₀

ist, leuchtet im Zweifel noch irgendwie ein, aber warum genau sind

rot(E›) = –(d/dt)B›

rot(B›) = μ₀·j› + μ₀ε₀·(d/dt)E›?

Dafür hatte auch Maxwell keine tiefere Erklärung. Allerdings: Wenn man einmal akzeptiert, dass diese Beziehungen Naturgesetze sind, lässt sich daraus durch für ρ=0, j›=0 via

rot(rot(B›)) = grad(div(B›)) – ∇²(B›) = –∇²(B›) = μ₀ε₀ ·rot((d/dt)E›) = μ₀ε₀ ·(d/dt)rot(E›) = – μ₀ε₀ (d/dt)²B›

die Wellengleichung, in diesem Fall für B›,mit

μ₀ε₀ = 1/c²

herleiten, und damit haben wir das Ausbreitungstempo elektromagnetischer Wellen unmittelbar aus Maxwell hergeleitet. Das heißt: Eine Transformation, die Maxwells Gleichungen forminvariant lässt, lässt in jedem Fall auch die Wellengleichung formiinvariant.

Wenn also die Maxwell-Gleichungen Galileis Relativitätsprinzip (RP) unterliegen, tut dies auch die Wellengleichung.

Dass sie das tun sollten, ergibt sich daraus, dass sie Naturgesetze sind.

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1. Die Lichtgeschwindigkeit verändert sich bezüglich durch was das Licht hindurch geht.

2 Licht kann auch angezogen werden von schwarzen Löchern zum Beispiel.

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