Lichtgeschwindigkeit

Wie schnell ist Licht?

Licht, das sich durch den leeren Raum bewegt, legt in jeder Sekunde exakt 299.792.458 Meter zurück. Das sind etwa 299.792 km pro Sekunde oder ungefähr 1,08 Milliarden km pro Stunde.

Das Wort exakt ist hier wichtig. Seit 1983 ist der Meter selbst über das Licht definiert: Ein Meter ist die Strecke, die Licht in 1/299.792.458 Sekunde zurücklegt. Die Geschwindigkeit wird also nicht mehr Jahr für Jahr genauer gemessen. Sie ist eine feste Zahl, und unsere Maßstäbe sind um sie herum gebaut.

In Materialien wird Licht langsamer. In Wasser erreicht es etwa drei Viertel seiner Vakuumgeschwindigkeit, in Glas etwa zwei Drittel. Wenn Fachleute ohne weitere Angabe von „der Lichtgeschwindigkeit“ sprechen, meinen sie die Geschwindigkeit im Vakuum, meist mit dem Buchstaben c abgekürzt.

Rømer und die Jupitermonde

Den größten Teil der Geschichte nahm man an, dass Licht sofort ankommt. Den ersten guten Gegenbeweis lieferte 1676 der dänische Astronom Ole Rømer, der an der Pariser Sternwarte arbeitete.

Rømer verfolgte Io, den innersten großen Mond des Jupiter. Io taucht in regelmäßigem Takt in den Schatten des Jupiter ein, etwa alle 42,5 Stunden. Er bemerkte, dass diese Verfinsterungen etwas zu früh kamen, wenn sich die Erde auf Jupiter zubewegte, und etwas zu spät, wenn sie sich von ihm entfernte.

Seine Erklärung war einfach und kühn. Ist die Erde weiter von Jupiter entfernt, muss das Licht von Io eine zusätzliche Strecke zurücklegen, und die Nachricht von jeder Verfinsterung erreicht uns später. Rømer schätzte die Verzögerung über den gesamten Durchmesser der Erdbahn auf etwa 22 Minuten; der wahre Wert liegt näher bei 17. Der niederländische Gelehrte Christiaan Huygens verknüpfte diese Verzögerung mit der geschätzten Größe der Erdbahn und kam auf etwa 211.000 km pro Sekunde. Die Zahl war zu niedrig, aber die Kernidee stimmte: Licht hat eine endliche Geschwindigkeit.

Fizeau, Michelson und genaue Zahlen

1849 maß der französische Physiker Hippolyte Fizeau die Lichtgeschwindigkeit erstmals auf der Erde. Er schickte einen Lichtstrahl durch die Lücken eines schnell rotierenden Zahnrads zu einem etwa 8 km entfernten Spiegel. Bei der passenden Drehzahl wurde das zurückkehrende Licht vom nächsten Zahn blockiert. Aus Drehzahl und Entfernung erhielt er einen Wert, der nur etwa 5 Prozent vom heutigen abwich.

Im späteren 19. Jahrhundert und bis in die 1920er-Jahre verfeinerte der amerikanische Physiker Albert Michelson das Verfahren mit Drehspiegeln. In einer berühmten Messreihe schickte er Licht zwischen zwei etwa 35 km voneinander entfernten Bergen in Kalifornien hin und her. Seine Ergebnisse lagen nur wenige Zehntel Kilometer pro Sekunde neben dem heutigen Wert. Michelson erhielt 1907 als erster Amerikaner den Nobelpreis für Physik, vor allem für diese Art optischer Präzisionsarbeit.

Warum nichts mit Masse sie erreicht

Einsteins spezielle Relativitätstheorie, 1905 veröffentlicht, erklärt, warum die Lichtgeschwindigkeit wie ein kosmisches Tempolimit wirkt. Eine ihrer Grundideen lautet, dass Licht sich für jeden Beobachter gleich schnell bewegt, egal wie schnell dieser selbst unterwegs ist.

Daraus folgt, dass es immer schwerer wird, ein Objekt mit Masse zu beschleunigen, je schneller es schon ist. Nahe der Lichtgeschwindigkeit bringt jeder weitere Schub immer weniger zusätzliche Geschwindigkeit. Um die Lichtgeschwindigkeit genau zu erreichen, bräuchte das Objekt unendlich viel Energie, die keine Rakete und kein Teilchenbeschleuniger liefern kann.

Licht selbst hat keine Masse und bewegt sich daher immer mit c. Der Large Hadron Collider beschleunigt Protonen auf mehr als 99,9999 Prozent der Lichtgeschwindigkeit, doch ganz erreichen sie sie nie.

Lichtlaufzeiten im All

Weil der Weltraum so groß ist, braucht selbst Licht Zeit, um ihn zu durchqueren. Sonnenlicht verlässt die Sonne und erreicht die Erde etwa 8 Minuten und 20 Sekunden später. Vom Mond reflektiertes Licht braucht nur etwa 1,3 Sekunden.

Der Mars zeigt gut, wie sich das auf echte Missionen auswirkt. Je nachdem, wo die beiden Planeten auf ihren Bahnen stehen, braucht ein Funksignal etwa 3 bis 22 Minuten für eine Richtung. Wer auf der Erde einen Rover fährt, kann ihn nicht in Echtzeit lenken. Rover führen daher geplante Befehle aus und umgehen Gefahren mit eigener Software.

Weiter draußen werden die Verzögerungen größer. Voyager 1, die am weitesten entfernte Raumsonde, ist so weit weg, dass ihre Signale fast einen ganzen Tag brauchen, um uns zu erreichen.

Der Blick zum Himmel ist ein Blick in die Vergangenheit

Was Sie am Himmel sehen, sehen Sie immer so, wie es war, als sein Licht aufbrach. Die Sonne, die Sie sehen, ist die Sonne von vor etwa 8 Minuten. Ein heller Stern wie Sirius erscheint so, wie er vor mehr als 8 Jahren war.

Bei Galaxien wird der Effekt gewaltig. Das Licht der Andromedagalaxie hat sie vor etwa 2,5 Millionen Jahren verlassen. Das James-Webb-Weltraumteleskop sammelt Licht, das seine Reise vor mehr als 13 Milliarden Jahren begann. So können Astronomen junge Galaxien so untersuchen, wie sie kurz nach dem Beginn des Universums aussahen.

Das ist eines der nützlichsten Werkzeuge der Astronomie. Entfernung und Zeit hängen zusammen, und so funktioniert der tiefe Himmel wie ein geschichtetes Geschichtsbuch, dessen ältere Kapitel weiter entfernt liegen.