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hirschi41m1 · Administrator Beiträge: 87 Ort: hohengöhren

Lichtgeschwindigkeit - nichts ist schneller

Nichts ist schneller als das Licht. Mit rund 300.000 Kilometer pro
Sekunde (Der genaue Wert im Vakuum ist c=299.792 Kilometer pro
Sekunde, das entspricht 1.079.251.200 Kilometer pro Stunde.) ist die
Lichtgeschwindigkeit das absolute Limit, sowohl für Materie als auch
für Strahlung und Information. Das Erstaunliche ist jedoch nicht die
Größe, sondern dass der Wert immer gleich bleibt, egal wie schnell
sich die Lichtquelle oder der Beobachter bewegt.

Was das heißt, wird an folgendem Beispiel klar:

Man wirft aus dem Stand einen Apfel mit 30 Kilometern pro Stunde nach
vorne. Der Apfel fliegt dann mit 30 Stundenkilometern.
Jetzt setzt sich man ins Auto und fährt mit einer Geschwindigkeit von
50 Stundenkilometern. Wieder wirft man einen Apfel nach vorne. Der
Apfel flitzt dann mit 50+30=80 Stundenkilometern über die Straße.

Soweit so gut. Leuchtet man aus dem Stand mit einer Taschenlampe nach
vorne, bewegt sich das Licht mit 300.000 Kilometern pro Sekunde.
Nun führt man dieses Experiment wie oben im Auto aus, fährt also mit
einer Geschwindigkeit von 50 Stundenkilometern und leuchtet mit der
Taschenlampe nach vorne. Das Licht rast jedoch nicht mit
Lichtgeschwindigkeit +50 Stundenkilometern dahin, sondern nach wie vor
mit 300.000 Kilometern pro Sekunde.

Es ist außerdem gleichgültig, ob die Lichtgeschwindigkeit vom Auto aus
gemessen wird oder vom Straßenrand, der Wert bleibt immer gleich.

Die Konstanz der Lichtgeschwindigkeit wurde zuerst im Jahre 1887 im so
genannten Michelson-Morley-Experiment nachgewiesen. Es war jedoch
lange unklar, wie diese Tatsache zu deuten sei und welche Konsequenzen
sich daraus ergaben. Erst Albert Einstein zeigte mit seiner Speziellen
Relativitätstheorie einen Ausweg aus dem Dilemma. Und er machte
deutlich, welche Auswirkungen diese Unveränderlichkeit hat: Sowohl die
Zeit als auch der Raum verlieren ihre absolute Bedeutung. Die Zeit
verläuft mit zunehmender Geschwindigkeit immer langsamer
(Eine Uhr auf
Reisen) und ein Gegenstand der sich mit fast Lichtgeschwindigkeit
bewegt erscheint einem ruhenden Beobachter verkürzt.

Das Michelson-Morley-Experiment:

Bereits seit Beginn des 19. Jahrhunderts wusste man, das Licht aus
Wellen besteht. Alle anderen bekannten Wellen waren stets an ein
Medium gebunden. Schall breitet sich in z.B. Luft aus, Wasserwellen im
Wasser. Daher nahm man an, dass auch das Licht an irgendeine Form von
Medium gebunden war, das offensichtlich unsichtbar war. Dieses Medium
wurde Lichtäther genannt. Es wurde angenommen, dass sich der Äther
selbst in absoluter Ruhe befindet und sich jeder Körper, also auch die
Erde, mit einer bestimmten Geschwindigkeit relativ dazu bewegt.
Die beiden Physiker Albert Abraham Michelson und Edward Williams
Morley wollten 1887 die Geschwindigkeit der Erde in diesem Äther mit
Hilfe von Lichtstrahlen bestimmen. Dafür bauten sie ein äußerst
genaues Messinstrument, ein so genanntes Interferometer. Die Idee
dahinter: Die Geschwindigkeit des Lichtes wird in zwei verschiedene
Richtungen gemessen, einmal in Bewegungsrichtung und einmal senkrecht
dazu. Das Licht, das sich in dieselbe Richtung bewegt wie die Erde
sollte schneller sein als das Licht senkrecht dazu. Doch so sorgfältig
die beiden Forscher ihre Messungen auch ausführten, sie konnten keinen
Unterschied in der Geschwindigkeit festellen. Die Lichtgeschwindigkeit
blieb konstant.

Die einzige mögliche Erklärung die auf der Hand lag war, dass sich die
Erde in Bezug auf den Äther nicht bewegt, aber das wäre ein zu großer
Zufall gewesen. Eine schlüssige Deutung wurde erst zwei Jahrzente
später von Albert Einstein gefunden, die Spezielle
Relativitätstheorie. Das Michelson-Morley-Experiment ist
wahrscheinlich das bedeutenste missglückte Experiment in der
Geschichte der Wissenschaft.

Ulrich Grünewald

hirschi41m1 · Administrator Beiträge: 87 Ort: hohengöhren

Eine Fahrt mit Lichtgeschwindigkeit

Obwohl die Lichtgeschwindigkeit sehr hoch ist, ist sie doch
begrenzt auf rund 300.000 Kilometer pro Sekunde. Das bedeutet
u.a. dass das Licht nicht an jedem Ort gleichzeitig
sein kann, sondern eine gewisse Zeit benötigt um von einem
Ort zu einem anderen zu kommen. Im Alltag fällt diese Verzögerung
jedoch nicht auf, weil wir uns viel zu langsam bewegen.

Aber was wäre, wenn die Lichtgeschwindigkeit viel langsamer wäre,
sagen wir 40 Kilometer pro Stunde? Dann würde sich die Relativitätstheorie
bereits bei einer normalen Autofahrt bemerkbar machen.

Im Computer lässt sich diese Situation ansatzweise simulieren.
Normalerweise bewegt man sich dabei durch abstrakte
Computerlandschaften, doch wir wollten wissen, wie eine
reale Fahrt aussehen würde. Um das herauszufinden haben
wir eine Überfahrt über die Köln Deutzer Brücke gefilmt
und anschließend die relativistischen Perspektive der Bilder
per Computer berechnen lassen.

Normalerweise sieht diese Überfahrt wie im Linken Film aus:
Das Licht rast mit 300.000 Kilometern pro Sekunde, wir tuckern
dagegen mit knapp 40 Kilometern pro Stunde über die Straße.

Fahrt über die Deutzer Brücke..

Fahrt bei annähernder Lichtgeschwindigkeit

Was geschieht nun, wenn wir am Tacho des Lichtes drehen
(rechter Film)?
Wieder fahren wir mit knapp 40 Stundenkilometern, doch diesmal
bremsen wir das Licht auf ebenfalls 40 Stundenkilometer. Das
bedeutet wir bewegen uns in dieser simulierten Welt jetzt mit
90 Prozent der Lichtgeschwindigkeit.

Zwei Effekte fallen ins Auge:

Zum einen ist das Blickfeld wesentlich größer. Das heißt
wir sehen auf einmal viel mehr von der Umgebung. Der
Bereich der vorher unser gesamtes Blickfeld eingenommen hat,
ist jetzt nur noch ein kleiner Teil des Gesamtbildes. Dadurch
wirken z.B. die Gebäude deutlich kleiner, es entsteht der
Eindruck, wir würden uns von dem anderen Ufer entfernen,
obwohl wir uns darauf zu bewegen.

Zum anderen biegen sich alle Gegenstände die senkrecht zu
unsere Bewegung sind, zum Beispiel die Laternen, aber auch
der Rhein. Alle Linien in Bewegungsrichtung, also die
Linien die auf das andere Ufer zulaufen, bleiben dagegen
kerzengerade, wie zum Beispiel die Straßenbahnschienen. Um
zu verstehen wie diese Krümmung zu Stande kommt, betrachten
wir einmal einen Schnappschuss der Szene:

Eine ehemals gerade Laterne ist nun gebogen, denn das Licht
von ihrem oben Ende hat einen längeren Weg zu uns, erreicht
uns also später als das Licht des Laternenpfahls auf
unserer Höhe. Während dieser Zeit haben wir uns jedoch
schon ein Stück weiterbewegt, die Spitze der Laterne scheint
dann an einer anderen Position als das Mittelstück.
Insgesamt wirkt die Laterne daher nach hinten gekrümmt.
(Die beiden schwarzen Balken oben und unten im
Bild sind übrigens kein relativistischer Effekt.
Normalerweise würde man hier ebenfalls
die Straße bzw. den Himmel sehen. Die begrenzte Kameraauflösung
lieferte dort jedoch kein Bild.)

Um die beiden dominierenden Effekte herauszustellen, haben
wir bei unserer Fahrt mit 90 Prozent der
Lichtgeschwindigkeit nicht alle Auswirkungen der
Relativitätstheorie berücksichtigt. Und natürlich hätte die
Verlangsamung des Lichts auch Konsequenzen auf ganz
andere Bereiche des Lebens, die wir hier ebenfalls außer Acht
gelassen haben. Würden wir uns in der realen Welt
tatsächlich mit (annähernd) Lichtgeschwindigkeit bewegen, wäre
das Bild fast komplett schwarz.

hirschi41m1 · Administrator Beiträge: 87 Ort: hohengöhren

Einstein und das Problem der Zeit

Einsteins Vorhersagen

Im Alltag scheint es nichts einfacheres als das zu geben:
der Blick auf die Uhr, das Zeitmessen. Zugegeben - die
Präzision hat sich im Laufe der Jahrhunderte immer
mehr verbessert. Von den Wasseruhren der Ägypter über die
Pendeluhren und Chronometer auf den englischen Schiffen bis
hin zu den heutigen Atomuhren hat sich die Präzision immer
weiter heraufgeschraubt. Aber - so glaubt die Alltagserfahrung -
der Gang einer Uhr hängt nicht davon ab, wie schnell sie
sich bewegt oder wo sie sich gerade befindet... Einstein sagt
genau das Gegenteil:

Uhren laufen langsamer, wenn sie sich bewegen (dies heißt
"relativistische Zeitdilatation" und kommt aus der speziellen
Relativitätstheorie) und
auch, wenn sie sich in der Nähe schwerer Körper befinden
(dies nennt sich "relativistische Rotverschiebung" und wird in der
allgemeinen Relativitätstheorie behandelt).

Zu beiden verblüffenden Phänomenen hat "Quarks&Co" jeweils ein
Experiment gemacht. Denn Einstein liebte zwar die
Gedankenexperimente, doch gerade die letzten beiden Jahrzehnte
haben den Physikern erst die Möglichkeiten in die Hand
gegeben, Einsteins "Gedankenexperimente" in die Wirklichkeit
umzusetzen. Es sind "Nagelproben" der Einsteinschen Relativitätstheorie
- auch wenn es ausgetüfteltere Versuchsaufbauten gibt,
die Einstein wesentlich besser und genauer bestätigen. Alle
diese Versuche haben aber den Nachteil, nicht so
anschaulich zu sein, wie die von uns gemachten...

Voraussetzung - genaue Uhren

"Quarks"-Autor Heinz Greuling checkt die
Präzisons-Uhr nach dem Flug mit
dem Lufthansa Airbus

Erst seit etwa 1960 gibt es so präzis laufende Cäsiumuhren,
die es erlauben, Einsteins Vorhersagen zu überprüfen. Denn:
Die vorhergesagten Effekte lassen sich mit einer
Taschenuhr nicht nachweisen, da braucht's genauere Uhren.
Die "gesetzlichen Zeitmacher" in Deutschland benutzen solche
Uhren, genauer die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) in
Braunschweig in ihrem Zeitlabor. Ihr Leiter, Dr. Andreas Bauch,
hat uns mit seinen Mitarbeitern mit Rat und Tat zur Seite
gestanden - sie liehen uns auch die Uhr, mit denen man
überhaupt die vorhergeagten Effekte nachweisen kann. Dabei
handelt es sich um die Cäsiumuhr von Hewlett-Packard
HP 5071A high performance (auch hier unser besonderer
Dank an Hewlett-Packard Deutschland). Sie läuft in 100.000
Jahren um eine Sekunde falsch - und misst Zeiten auf
Nanosekunden genau, das sind Milliardstel Sekunden.

... ein Gefühl für Größenordnung

Der Lufthansa-Pilot Cord Becker begrüßt das "Quarks"-Team und die Uhr

So unverständlich die beiden Zeit-Phänomene (Zeitdilatation und
Rotverschiebung) sind, kann man trotzdem sehr
einfach ein Gefühl für die Größenordnung und Relevanz
dieser relativistischen Effekte bekommen (Physiker machen das
genauso): Es hängt nämlich immer von Größenordnungen ab.

Zeitdilatation und alle anderen Effekte wie die
etwa die Lorentz-Längen-Kontraktion
(s. "Eine Fahrt mit Lichtgeschwindigkeit"),
oder die relativistische
Massenzunahme (s. "Aus Masse wird Energie") hängen immer von Geschwindigkeitsverhältnissen ab.

Also: Wie schnell bewegt sich der betrachtete Gegenstand im
Verhältnis zur Lichtgeschwindigkeit (=300.000 km pro Sekunde)? In
unserem Uhrenexperiment fliegt der Airbus
A340-300 etwa 830 km pro Stunde, verglichen mit
300.000km pro Sekunde ist das sehr wenig. Aber verglichen mit unseren
normalen Alltagsgeschwindigkeiten - ist das fast nichts. Also
erwartet ein Physiker auch keine relativistischen Effekte
(sonst muss man eben - wie wir - superpräzise messen).

Dagegen hängt die relavistische Rotverschiebung ab von Massen-
und Größenverhältnissen. Physiker benutzen dabei eine Hilfsgröße,
den so genannten Schwarzschildradius. Je schwerer ein
Körper ist, umso größer ist der Schwarzschildradius. Für
die Erde beträgt er 9 Millimeter, für unsere Sonne
ist er 3 Kilometer. Relativistische Effekte
werden spürbar, wenn der Schwarzschildradius mit den Größenverhältnissen
des betrachteten Gegenstandes vergleichbar wird.

Bei unserem Uhrenexperiment sind das: 9 Millimeter Schwarzschildradius
der Erde verglichen mit der Höhendifferenz
(also die Flughöhe) - wahrlich ein winziger Effekt!
Unser Experiment - auf der Sonne durchgeführt - würde sich
erheblich einfacher gestalten - abgesehen von den etwas
unwirtlichen Temperaturen...

Eine Uhr auf Reisen

"Quarks&Co" machte die Nagelprobe und schickte in einem
aufwendigen Experiment die Cäsiumuhr aus Braunschweig über den
Atlantik hin- und zurück. Am 28. Oktober flog der Autor
und Physiker Heinz Greuling mit dem Präzisonschronometer im
Lufthansa-Flug LH 420 von Frankfurt nach Boston und direkt wieder
zurück mit dem Flug LH 421. Die Lufthansa und die Piloten
Cord Becker und Gerd Becker und ihre Crews und der Technische Leiter
Otto Hamann machten damit etwas möglich, was sonst nicht hätte
verwirklicht werden können: direkt nachzuvollziehen, ob einer,
der eine Reise tut, dabei jünger wird. Und tatsächlich: ganz
wie vorgesagt, zeigte sich beim anschließenden Uhrenvergleich
in Braunschweig eine Zeitdifferenz von 28 Milliardstel Sekunden.

Die Atomuhr auf dem Kölner Dom

Die superpräzise Cäsiumuhr in hundert Metern Höhe im Nordturm des Kölner Domes

In diesem Experiment deponierte "Quarks&Co" die Braunschweiger
Atomuhr für eine Woche auf dem Kölner Dom. Der Dompropst
Bernard Henrichs und die Frau Dombaumeister Prof. Dr. Barbara
Schock-Werner gaben ihr "placet et nihil obstat" -
sie waren selbst gespannt, ob Einstein Recht hat: Würde die
"dem Himmel nähere" Uhr schneller laufen als eine in
Braunschweig niedrig gelegenere Uhr? Für eine Woche
brachte der Autor und Physiker Heinz Greuling die Cäsiumuhr
in die luftige Höhe des den Touristen nicht zugänglichen Nordturms
der Kölner Kathedrale und ließ sie dort anderthalb Wochen
(bei einem Höhenunterschied von knapp achtzig Meter
zu Braunschweig) ticken. Der anschließende Uhrenvergleich
in Braunschweig mit der Schwesteruhr ergab tatsächlich eine
Zeitdifferenz von 7 Milliardstel Sekunden (genau wie
Einstein es erwartet hätte): die höher gelegene Uhr war
also wirklich und messbar um 7 Nanosekunden gealtert...

Heinz Greuling

hirschi41m1 · Administrator Beiträge: 87 Ort: hohengöhren

Zeit ist die fundamentale, messbare Größe, die zusammen mit dem Raum das Kontinuum bildet, in das jegliches materielle Geschehen eingebettet ist. Sie gestattet es, kausal verknüpfbaren Ereignissen und Handlungen eine Reihenfolge zuzuordnen.

Das menschliche Empfinden von Zeit ist von ihrem Vergehen geprägt, einem Phänomen, das sich bisher einer naturwissenschaftlichen Beschreibung entzieht und als Fortschreiten der Gegenwart von der Vergangenheit kommend zur Zukunft hin wahrgenommen wird.

Die Frage nach dem Wesen der Zeit gehört zu den ältesten Fragen der Philosophie. Zeit ist aber auch zentrales Thema der Physik, der Chronobiologie und der Zeitsoziologie. Die Psychologie untersucht die Zeitwahrnehmung und das Zeitgefühl. Die Ökonomie betrachtet Zeit auch als Wertgegenstand. In den Sprachwissenschaften bezeichnet Zeit die grammatische Zeitform, lateinisch Tempus.

Zeit und Kausalität

Der Zeitbegriff hängt eng mit dem Kausalitätsbegriff
zusammen. So betrachten wir es als selbstverständlich, dass die Ursache
vor ihrer Wirkung auftritt. Die Vergangenheit ist unveränderlich, sie
kann nicht von gegenwärtigen Ereignissen beeinflusst werden. Die
Zukunft hingegen hängt von der Gegenwart kausal ab, kann also durch
Ereignisse oder Handlungen in der Gegenwart beeinflusst werden.

In der Relativitätstheorie wird die zeitliche Reihenfolge mancher
Ereignisse, die an verschiedenen Orten stattfinden, von relativ
zueinander bewegten Beobachtern unterschiedlich beurteilt. Das ist
genau dann der Fall, wenn die beiden Ereignisse nur durch ein Signal
mit Überlichtgeschwindigkeit in Kontakt treten könnten. Könnte eine Wechselwirkung mit Überlichtgeschwindigkeit stattfinden, dann könnte man mit folgendem System eine Botschaft in die Vergangenheit schicken:

Das Signal wird mit Überlichtgeschwindigkeit an eine weit genug entfernte Relaisstation geschickt.
Diese beschleunigt konventionell vom ursprünglichen Sender weg
(alternativ: sie überträgt es konventionell auf eine weitere, sich vom
Empfänger weg bewegende Relaisstation, z.B. die andere Seite einer
rotierenden Plattform). Dadurch wird das Absendeereignis aus der
Vergangenheit in die Zukunft „verschoben“.
Schließlich wird das Signal wieder mit Überlichtgeschwindigkeit
zurückgesendet. Sind die beteiligten Geschwindigkeiten hoch genug, so
kommt das Signal vor dem Aussenden des Ursprungssignals an.

Daher wäre das Kausalitätsprinzip verletzt. Mitte des 20. Jahrhunderts wurde vermutet, dass es überlichtschnelle Tachyonen geben könnte. Sollten sie mit gewöhnlicher Materie in Wechselwirkung treten können, so wäre die Kausalität verletzt. Die Hypothese der Existenz von Tachyonen hat daher kaum Anhänger.