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Von Paul Sutter
Wir alle kennen und lieben die Lichtgeschwindigkeit - 299.792.458 Meter pro Sekunde - aber warum hat sie den Wert, den sie hat? Warum ist es keine andere Zahl? Und warum interessiert uns eine zufällige Geschwindigkeit elektromagnetischer Wellen so sehr? Warum wurde es so ein Eckpfeiler der Physik?
Das liegt daran, dass die Lichtgeschwindigkeit einfach "komisch" ist.
<b>Das Licht auf die Probe stellen</b>
Die erste Person, die erkannte, dass Licht überhaupt eine Geschwindigkeit hat, war ein Astronom namens Ole Romer. In den späten 1600er Jahren war er besessen von einigen seltsamen Bewegungen des Mondes Io um Jupiter. Hin und wieder versperrte der große Planet unsere Sicht auf seinen kleinen Mond und verursachte eine Sonnenfinsternis, aber das Timing zwischen den Sonnenfinsternissen schien sich im Laufe des Jahres zu ändern. Entweder passierte etwas Funky mit der Umlaufbahn von Io - was verdächtig schien - oder etwas anderes war im Gange.
Nach ein paar Jahren der Beobachtung stellte Romer die Verbindung her. Wenn wir sehen, dass Io in den Schatten gestellt wird, befinden wir uns in einer bestimmten Position in unserer eigenen Umlaufbahn um die Sonne. Aber wenn wir das nächste Mal, ein paar Tage später, eine weitere Sonnenfinsternis sehen, befinden wir uns in einer etwas anderen Position, vielleicht näher oder weiter vom Jupiter entfernt als beim letzten Mal. Wenn wir weiter entfernt sind als beim letzten Mal, als wir eine Sonnenfinsternis gesehen haben, bedeutet dies, dass wir etwas länger warten müssen, um die nächste zu sehen, da es so viel länger dauert, bis das Licht uns erreicht, und das Gegenteil ist der Fall wenn wir dem Jupiter ein bisschen näher sind.
Die einzige Möglichkeit, die zeitlichen Schwankungen der Io-Finsternisse zu erklären, besteht darin, dass Licht eine endliche Geschwindigkeit hat.
<b>Es etwas bedeuten zu lassen</b>
Fortgesetzte Messungen im Laufe der nächsten Jahrhunderte festigten die Messung der Lichtgeschwindigkeit, aber erst Mitte des 19. Jahrhunderts begannen sich die Dinge wirklich zu vereinen. Dann hat der Physiker James Clerk Maxwell versehentlich das Licht erfunden.
Maxwell hatte mit den damals schlecht verstandenen Phänomenen Elektrizität und Magnetismus herumgespielt, als er ein einziges einheitliches Bild entdeckte, das alle unterschiedlichen Beobachtungen erklären konnte. In diesen Gleichungen legte er den Grundstein für das, was wir heute als elektromagnetische Kraft verstehen, und entdeckte, dass sich durch Änderung elektrischer Felder Magnetfelder entstehen können und umgekehrt. Dies ermöglicht Elektrizitätswellen Wellen des Magnetismus zu erzeugen, die wiederum Elektrizitätswellen erzeugen und hin und her und hin und her, und sich so durch den Raum bewegen können.
Und als er die Geschwindigkeit dieser sogenannten elektromagnetischen Wellen berechnete, erhielt Maxwell dieselbe Zahl, die Wissenschaftler seit Jahrhunderten als Lichtgeschwindigkeit gemessen hatten. Ergo besteht Licht aus elektromagnetischen Wellen und bewegt sich mit dieser Geschwindigkeit, denn genau so schnell bewegen sich Wellen von Elektrizität und Magnetismus durch den Raum.
Und das war alles schön und gut, bis Einstein einige Jahrzehnte später kam und erkannte, dass die Lichtgeschwindigkeit überhaupt nichts mit Licht zu tun hatte. Mit seiner speziellen Relativitätstheorie erkannte Einstein die wahre Verbindung zwischen Zeit und Raum, ein einheitliches Gefüge, das als Raum-Zeit bekannt ist. Aber wie wir alle wissen, ist Raum ganz anders als Zeit. Ein Meter oder ein Fuß ist ganz anders als eine Sekunde oder ein Jahr. Sie scheinen zwei völlig verschiedene Dinge zu sein.
Wie könnten sie also auf dem gleichen Fundament stehen?
Es musste eine Art Klebstoff geben, eine Verbindung, die es uns ermöglichte, zwischen Bewegung im Raum und Bewegung in der Zeit zu übersetzen. Mit anderen Worten, wir müssen wissen, wie viel ein Meter Raum zum Beispiel in der Zeit wert ist. Wie ist der Wechselkurs? Einstein stellte fest, dass es eine einzige Konstante gab, eine bestimmte Geschwindigkeit, die uns sagen konnte, wie viel Platz der Zeit entspricht und umgekehrt.
Einsteins Theorien sagten nicht, was diese Zahl war, aber dann wandte er eine spezielle Relativitätstheorie auf die alten Gleichungen von Maxwell an und stellte fest, dass diese Umrechnungsrate genau die Lichtgeschwindigkeit ist.
Natürlich weiß diese Umwandlungsrate, diese fundamentale Konstante, die Raum und Zeit vereint, nicht, was eine elektromagnetische Welle ist, und es interessiert sie nicht einmal wirklich. Es ist nur eine Zahl, aber es stellt sich heraus, dass Maxwell diese Zahl bereits berechnet und entdeckt hat, ohne es zu wissen. Das liegt daran, dass sich alle masselosen Teilchen mit dieser Geschwindigkeit fortbewegen können, und da Licht masselos ist, kann es sich mit dieser Geschwindigkeit fortbewegen. Und so wurde die Lichtgeschwindigkeit zu einem wichtigen Eckpfeiler der modernen Physik.
Aber warum diese Zahl mit diesem Wert und nicht mit einer anderen Zufallszahl? Warum hat die Natur diesen und keinen anderen ausgewählt? Was ist los?
<b>Es bedeutungslos machen</b>
Nun, die Anzahl spielt keine Rolle. Es hat immerhin Einheiten: Meter pro Sekunde. Und in der Physik kann jede Zahl, an die Einheiten angehängt sind, einen beliebigen Wert haben. Dies bedeutet, dass Sie die Einheiten definieren müssen. Um beispielsweise die Lichtgeschwindigkeit in Metern pro Sekunde auszudrücken, müssen Sie zuerst entscheiden, was zum Teufel ein Meter ist und was zum Teufel eine Sekunde ist. Und so ist die Definition der Lichtgeschwindigkeit mit den Definitionen von Länge und Zeit verbunden.
In der Physik beschäftigen wir uns mehr mit Konstanten, die keine Einheiten oder Dimensionen haben - mit anderen Worten, Konstanten, die in unseren physikalischen Theorien erscheinen und nur einfache Zahlen sind. Diese erscheinen viel grundlegender, da sie von keiner anderen Definition abhängen. Eine andere Art zu sagen ist, dass wir, wenn wir einer fremden Zivilisation begegnen würden, keine Möglichkeit hätten, ihre Messung der Lichtgeschwindigkeit zu verstehen, aber wenn es um dimensionslose Konstanten geht, können wir uns alle einig sein. Das sind nur Zahlen.
Eine solche Zahl ist als Feinstrukturkonstante bekannt, die eine Kombination aus Lichtgeschwindigkeit, Planck-Konstante und der Permittivität des freien Raums ist. Sein Wert beträgt ungefähr 0,007. 0,007 was? Nur 0,007. Wie ich schon sagte, es ist nur eine Zahl.
Einerseits kann die Lichtgeschwindigkeit so sein, wie sie sein will, weil sie Einheiten hat und wir die Einheiten definieren müssen. Andererseits kann die Lichtgeschwindigkeit nichts anderes sein als genau das, was sie ist, denn wenn Sie die Lichtgeschwindigkeit ändern würden, würden Sie die Feinstrukturkonstante ändern. Aber unser Universum hat die Feinstrukturkonstante auf ungefähr 0,007 gewählt, und sonst nichts. Das ist einfach das Universum, in dem wir leben, und wir haben überhaupt keine Wahl. Und da dies fest und universell ist, muss die Lichtgeschwindigkeit genau so sein, wie sie ist.
Warum ist die Feinstruktur genau die Zahl, die sie ist, und nicht etwas anderes? Gute Frage. Wir wissen es nicht.
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<font color="limegreen">Aus den Astronews verschoben von Caro. Bitte auf die Einordnung der Themen in die richtigen Unterforen achten!</font id="limegreen">
