Was begrenzt die Lichtgeschwindigkeit im Weltraum?
Anders gefragt: Warum ist die Lichtgeschwindigkeit nicht z.B. 600.000 km/s oder unendlich? Welcher physikalische Mechanismus bremst das Licht aus?
6 Antworten
Das ist eine der großen ungelösten Fragen der Physik, auf der auch schon Einstein rumgerätselt hat und auf die es bis heute keine Antwort gibt, die belegt werden kann. Wenn du den Grund herausfindest, ist dir ein Nobelpreis sicher.
Neben der Richtgeschwindigkeit gibt es auf der Weltraumautobahn ein absolutes Tempolimit. 😎
Nein, im Ernst: Die Kosmologie, aber auch die Relativitätstheoriker und die QM-Theoretiker beschäftigen sich auch mit der Frage, wieso es so ist, wie es ist.
Für uns ist die Vakuumlichtgeschwindigkeit einfach gegeben. Es ist eine Naturkonstante.
Von den Naturkonstanten gibt es viele und an diesem Set von Konstanten kann ich drehen und dann sehen, was sich dadurch in der Physik ändert. Etwas weniger Gravitation und Kepler kommt ins Stolpern. Stärkere Kernbindungskräfte und die Elemente differenzieren sich nicht so stark heraus … usw. usf.
Zeit und Lichtgeschwindigkeit nehmen sich da nicht von aus. Interessanter Nebenfakt: Die RT funktioniert auch, wenn die Lichtgeschwindigkeit, die Mindestgeschindigkeit ist. In der QM werden Retardierende Potentiale verwendet, die so wirken, als ob die Zeit umgekehrt wäre.
Letztendlich gibt es nur die Vermutung, dass es so ist, wie es ist, weil so sich alles günstig entwickelten kann. Einen Wirkmechanismus, der die Größen der Naturkonstanten erklärt, gibt es m. W. aber nicht.
Hallo ekviss1705,
das Licht wird nicht ausgebremst. Sein Ausbreitungstempo c ist nicht ein Tempo wie jedes andere auch, sondern das absolute Tempo, das Zeit und Raum zugleich verbindet und trennt und relativ zu jedem Bezugsobjekt gleich ist.
Zwei mögliche Bezugsobjekte sind etwa eine Uhr U und eine andere Uhr U', die sich mit konstanter Geschwindigkeit v› relativ zu U bewegt. U bewegt sich relativ zu U' mit -v›. Die Bewegungsrichtung nennen wir x-Richtung, und so ist v›=(v|0|0).
Dass c≈3×10⁸m/s ist, ist ein Artefakt unseres Maßsystems, in dem eine Strecke Δs in m und eine Zeitspanne Δt in s gemessen wird. Man könnte Δs auch in s messen; dann wird ein Tempo v zu einer dimensionslosen Zahl aus [0,1[ (für Materie). In einem solchen Maßsystem ist c=1.
Raumzeit, Ereignisse, AbständeWenn Du Dich verabredest, musst Du Ort und Zeit des geplanten Treffens verabreden, und dieser Raumzeit-Punkt heißt in der Physik ein Ereignis.
Zwischen zwei Ereignissen gibt es erst einmal zweierlei Abstände, den Zeitabstand Δt (bzw. Δt') und den räumlichen Abstand Δs (bzw. Δs').
Und die hängen zusammen. Wir hatten schon gesagt, dass genau dann Δs'=Δt' (im SI: cΔt') ist, wenn auch Δs=Δt ist und umgekehrt. Solche Ereignisse werden als lichtartig getrennt bezeichnet (sofern sie nicht zusammenfallen).
Damit kann man zeigen, dass es zwischen zwei Ereignissen generell ein absolutes Abstandsquadrat
(1.1) Δτ² = Δt² – Δs² ≡ Δt'² – Δs'² bzw.(1.2) Δς² = –Δτ² = Δs² – Δt²
gibt (SI: c²Δt² oder Δs²/c²). Für lichtartig getrennte Ereignisse ist also Δτ²=Δς²=0.
Ereignisse mit Δτ² > 0 heißen zeitartig getrennt, es kann also eine Uhr U* geben, für die sie gleichortig sind (Δs*=0) und den Zeitabstand Δt*=Δτ haben (Eigenzeit).
Ereignisse mit Δς² > 0 heißen raumartig getrennt, es kann also eine Uhr U* geben, für die sie gleichzeitig sind (Δt*=0) und den räumlichen Abstand Δs*=Δς haben (Gleichzeitigkeits-Abstand).
Theoretisch ist es möglich, relativ zu U jede Distanz Δs in beliebig kurzer Eigenzeit Δτ zurückzulegen. Dabei legst Du aber automatisch eine so große Zeitspanne Δt zurück, dass
(2) (Δs/Δτ)/(Δt/Δτ) = Δs/Δt = v < c
bleibt. Man wird also nicht räumlich ausgebremst sondern sozusagen in Zeitrichtung „zwangsbeschleunigt“.
HistorischesIm 19. Jhd. glaubten die meisten Physiker an eine Supersubstanz namens Äther als Träger für Lichtwellen, so wie Materie Schallwellen überträgt, und zwar umso schneller, je steifer das Material ist.
Schall tritt vor allem in Längswellen auf; Querwellen werden nur in festen Materialien übertragen und sind langsamer.
Licht besteht hingegen ausschließlich um Querwellen, nämlich elektromagnetische Wellen. Die Gleichung, der diese Wellen „gehorchen“, folgt unmittelbar aus den MAXWELL-Gleichungen und ist damit ein Naturgesetz, eine fundamentale Beziehung zwischen physikalischen Größen.
Damit sollte sie eigentlich GALILEIs (!) Relativitätsprinzip (RP) unterliegen, das besagt, dass Fortbewegung relativ ist: Naturgesetze sind unabhängig vom Bezugssystem.
Damit ist ein Koordinatensystem gemeint, auf das z.B. Positionen oder Geschwindigkeiten bezogen werden.
Das Konzept eines Äthers, der eindeutig definiert, was stationär ist und was nicht, stellt das RP natürlich in Frage; Versuche wie das MICHELSON - MORLEY - Experiment zeigten jedoch keine Abweichung vom RP.
LORENTZ hatte die Idee, dass der Äther bei relativ zu ihm bewegten Objekten eine Kontraktion in Bewegungsrichtung um den Faktor
(3) √{1 – v²} =: 1/γ
und eine Zeitdilatation um γ bewirke, die seinen Bewegungszustand bzw. den des entsprechenden Körpers verschleiern. Er unterschied aber noch zwischen der „richtigen“, von einem relativ zum Äther ruhenden Uhr U gemessenen Zeitspanne Δt und der von einer mit v relativ zum Äther bewegten Uhr U’ gemessenen „Ortszeit“ Δt’.
Die Spezielle Relativitätstheorie verzichtet auf das Konzept des Äthers und lässt sich als konsequente Anwendung von GALILEIs Relativitätsprinzip auf MAXWELLs Elektrodynamik verstehen. Hier werden U und U’ als gleichwertig angesehen, und an die Stelle der Konzepte „Zeitdilatation“ und „Längenkontraktion“ tritt die Relativität der Gleichzeitigkeit. Sie Ist hier dargestellt.
Weil die Lichtgeschwindigkeit eine Naturkonstante und absolut ist. Warum sie genau diesen Wert von rund 300'000 km/s hat, wissen wir nicht. Sie wird dadurch begrenzt, dass die Zeit bei dieser Geschwindigkeit still steht und der Raum auf Null schrumpft, d.h. die Raumzeit ist so verändert, dass eine zusätzliche Erhöhung gar nicht möglich ist (vergl. Einsteins Spezielle Relativitätstheorie).
Das Licht wird durch die kosmische Hintergrundstrahlung (Photonen) ein gebremst.
Somit wäre die Ausbreitungsgeschwindigkeit beim Urknall größer gewesen als die Lichtgeschwindigkeit.
So meine Theorie.
Bzw. wir kennen ihn nicht. Dass es einen geben könnte, legen die Verhältnisse auf unterschiedlichen Gravitationspotentialen dar. Auf einem tieferen Gravitationspotential hat die Lichtgeschwindigkeit nämlich einen kleineren Betrag als auf einem höheren, von diesem aus betrachtet.
Allerdings läuft dort auch jegliche Uhr langsamer, sodass der lokale Beobachter nichts davon merkt und ebenfalls c misst.