Relativitätstheorie für Anfänger

Lichtgeschwindigkeit

In diesem sowie dem nächsten Kapitel "Gravitation" geht es zunächst vor allem darum, dass man ein Grundverständnis entwickelt. Auf die Themen Lichtgeschwindigkeit und Gravitation wird in späteren Kapiteln wie "Schwarze Löcher", "Spezielle Relativitätstheorie" und "Allgemeine Relativitätstheorie" noch tiefgreifender eingegangen.

Naturkonstante. Das Licht ist dem Mensch als elektromagnetische Welle bekannt. Darüber hinaus ist es das absolut Schnellste was die Wissenschaft kennt. Die Geschwindigkeit in der sich das Licht ausbreitet, ist die wohl bekannteste und wichtigste Naturkonstante in der Astrophysik. Man spricht deswegen von einer Konstante, da die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum immer gleich schnell ist. Es gibt absolut nichts, was sich schneller bewegen kann als Licht. Außerdem lässt sich auch kein Wert hinzuaddieren. Das Licht kann nicht schneller und nicht langsamer gemacht werden. Außerdem kann es auch nicht von Massen abgebremst oder beschleunigt werden. Daher handelt es sich um eine fundamentale Naturkonstante. Naturkonstanten sind absolut unveränderlich und unbeeinflussbar. Immer wieder gab es Ideen, Theorien und Überlegungen, dass sich bestimmte Teilchen, Wellen und andere Dinge schneller als Licht ausbreiten könnten oder sogar müssten. Dies nennt man Überlichtgeschwindigkeit. Doch bis jetzt wurden all diese Theorien widerlegt, sofern man einen Weg fand sie zu überprüfen. Überlichtgeschwindigkeit ist in der Physik bis jetzt eine undenkbare Sache. Und sofern die Relativitätstheorie von Albert Einstein, die unser Weltbild sowie die moderne Physik maßgeblich geprägt hat, weiterhin aktuell bleibt, wird jegliche Form der Überlichtgeschwindigkeit auch unmöglich bleiben.

Geschwindigkeitsverhältnisse. Dieses Kapitel ist besonders wichtig für das Verständnis von Entfernungen im Weltall. Die Lichtgeschwindigkeit ist der wichtigste Indikator um diese zu messen beziehungsweise zu benennen. Sie beträgt knapp 300.000 Kilometer pro Sekunde (exakter Wert: 299.792 km/s). Zum Vergleich: Der schnellste Seriensportwagen der Welt, der Bugatti Chiron Super Sport 300+, leistet 1.600 PS. Damit hat er einen Rekord in Sachen Höchstgeschwindigkeit von Seriensportwagen mit über 490 km/h aufgestellt. Die Lichtgeschwindigkeit wird allerdings nicht in Kilometern pro Stunde, sondern pro Sekunde angegeben. Umgerechnet in km/h ergibt sie einen Wert von etwa 1.000.000.000 Kilometern pro Stunde (exakter Wert: 1.079.251.200 km/h). Die Lichtgeschwindigkeit ist also 2,2 millionen mal schneller als der schnellste Seriensportwagen der Welt. Das ist unvorstellbar schnell und übersteigt bereits jegliche Vorstellungskraft des menschlichen Gehirns.

Schallgeschwindigkeit. Ein anderes gutes Vergleichsbeispiel, welches schon eine ganze Ecke schneller ist als der Bugatti, ist die Schallgeschwindigkeit. Schallwellen benötigen ein Medium, um sich auszubreiten. In dem Medium Luft in unserer Erdatmosphäre breiten sie sich mit 1.236 km/h aus. Man nennt die Luft deshalb Medium, da Schallwellen sich auch in anderer Materie ausbreiten können. Im Wasser zum Beispiel kann sich Schall sogar mehr als viermal schneller ausbreiten als in Luft. Doch das was wir im Allgemeinen als Schallgeschwindigkeit bezeichnen, bezieht sich in der Regel auf die Luft. Lange Zeit war die Schallgeschwindigkeit das Schnellste was die Menschheit kannte. Zu damaligen Zeiten hieß es, dass wir niemals in der Lage sein würden sie zu übertreffen. Doch das haben wir inzwischen mit Flugzeugen und Raketen längst geschafft. Und damit noch nicht genug. Die "Lockheed SR-71 Blackbird" ist ein Spionageflugzeug. Zwar ist sie schon ein etwas älterer Kandidat, doch trotzdem gilt sie bis heute als das schnellste Flugzeug aller Zeiten. Sie schafft eine maximale Geschwindigkeit von unglaublichen 3.529 km/h. Das entspricht fast der dreifachen Schallgeschwindigkeit.

Die "Weatherby Magnum", ihres Zeichens Schusswaffe, ist grundlegend erst mal ein Jagdgewehr. Doch auch bei Wettkämpfen erfreut sie sich größter Beliebtheit, denn sie hat eine besondere Eigenschaft: Sie verfügt über die derzeit höchste Mündungsgeschwindigkeit unter Serienfeuerwaffen. Die Bezeichnung Mündungsgeschwindigkeit bezieht sich auf die Geschwindigkeit, an der Stelle, wo die Kugel aus dem Ende des Laufs, also aus der Waffe, austritt. Die Projektile der Weatherby Magnum erreichen eine Geschwindigkeit von bis zu 1.076 Meter pro Sekunde. Dies sind umgerechnet 3.874 km/h. Oder in anderen Worten: Etwas mehr als ein Kilometer pro Sekunde. Das ist für den menschlichen Verstand gerade noch vorstellbar. Viele stoßen bei diesem Verhältnis von Entfernung zu Geschwindigkeit bereits an die Grenzen des menschlichen Vorstellungsvermögens.

(Die Lockheed SR-71 Blackbird.)

Erdumfang. Die Erde hat einen Umfang von etwa 40.000 km. Diese Entfernung ist vorstellbar. Man braucht nur mal auf den Kilometerstand seines Autos gucken und bekommt direkt ein Gefühl dafür. Außer man fährt einen Neuwagen. Aber fast jeder weiß: 40.000 km sind fast nichts für ein Gebrauchtfahrzeug. Schließlich gibt es auch Autos die bereits 300.000 Kilometer und mehr auf dem Buckel haben. Die Zahl 300.000 ist zudem treffend für das nächste Beispiel. Denn wie ja bereits bekannt ist, ist dies die Entfernung in Kilometern, die das Licht innerhalb einer Sekunde zurücklegt. Man stelle sich nun die Erde als Ganzes vor seinem inneren Auge vor. Dazu ein gelber Lichtstrahl, der die blaue Kugel umrundet. Innerhalb einer einzigen Sekunde schafft es das Licht den blauen Planeten ganze 7,5 Mal zu umrunden.

(Lichtstrahlen, die von der Sonne an der Erde vorbeiziehen.)

Hier noch einmal der direkte Vergleich:

Nach diesen Vergleichen dürfte ein ungefähres Gefühl dafür aufkommen, wie unglaublich schnell die Lichtgeschwindigkeit ist. Es bleibt übrigens ausschließlich Teilchen vorbehalten, sich in dieser Geschwindigkeit fortzubewegen. Allerdings auch nur solchen, die nicht massebehaftet sind. Die Lichtgeschwindigkeit ist das Schnellste was die Wissenschaft kennt. Nichts was wir von der Erde kennen, kommt auch nur ansatzweise an die Lichtgeschwindigkeit heran. Nicht mal in Bruchteilen. Sie spielt in einer ganz eigenen Liga. Ein ganz einfacher Beweis dafür sind beispielsweise auch Gewitter. Blitz und Donner entstehen zur selben Zeit. Das Licht eines Blitzes erreicht unser Auge schlagartig und ohne Verzögerung. Doch der Schall vom Donner braucht meist mehrere Sekunden, abhängig davon wie weit das Gewitter von einem entfernt ist.

Längenwerte. Um die nahezu unendlich großen Entfernungen im Weltall zu beschreiben, benutzt man die Lichtgeschwindigkeit pro Zeiteinheit. Viele Menschen tun sich schwer damit, doch das ist tatsächlich einfacher als es zunächst klingen mag. Wenn die Lichtgeschwindigkeit 300.000 km/s beträgt, dann ergeben sich daraus folgende Längenwerte, welche das Licht in der jeweiligen Zeit zurücklegt:

Lichtjahr. Die berühmte Bezeichnung Lichtjahr ist also im Endeffekt nichts Anderes, als die Entfernung von 9.460.800.000.000 Kilometern. Diese legt das Licht dann innerhalb eines Jahres zurück. Das Lichtjahr ist daher ein Längenmaß. Fälschlicherweise wird es aber oft als Zeiteinheit interpretiert, weil es das Wort "Jahr" enthält. Von Lichttagen, Lichtwochen und Lichtmonaten spricht man hingegen eher seltener. Jedoch sind diese Werte rein rechnerisch von großer Bedeutung, damit man die finale Einheit, also das Lichtjahr, verstehen kann. Lichtsekunden, Lichtminuten und Lichtstunden finden vor allem bei der Beschreibung unseres...