SG_LogoDas ist die Transkription einer Folge meines Sternengeschichten-Podcasts. Die Folge gibt es auch als MP3-Download und YouTube-Video.

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Sternengeschichten Folge 251: Lichtgeschwindigkeit

In so gut wie jeder Folge der Sternengeschichten erwähne ich irgendwann mal die Lichtgeschwindigkeit. Kein Wunder, denn die Astronomie ist ja darauf angewiesen das Licht der fernen Himmelskörper zu beobachten, zu analysieren und nur daraus so viel Informationen wie nur irgendwie wie möglich abzuleiten. Da spielt es natürlich auch eine Rolle wie lange dieses Licht und die in ihm enthaltene Information braucht bis es bei uns ankommt. Die Lichtgeschwindigkeit ist darüber hinaus aber auch im Rest der Physik – eigentlich in der gesamten Naturwissenschaft – von absolut fundamentaler Bedeutung. Es lohnt sich daher, einmal ausführlich darüber zu reden.

Die Lichtgeschwindigkeit ist die Geschwindigkeit mit der sich das Licht bewegt. Klingt simpel. Aber es gibt noch sehr viel mehr, was man dazu sagen kann. Und sagen muss, wenn man die ganze Angelegenheit vernünftig verstehen will. Ich habe in Folge 163 der Sternengeschichten schon ausführlich erklärt, wie man in der vergangenen Jahrhunderten probiert hat diese Geschwindigkeit möglichst exakt zu messen. Beziehungsweise wie man erst einmal auf die Idee kommen musste, das Licht überhaupt eine Geschwindigkeit hat. Viele Forscher waren früher ja auch überzeugt, dass es sich unendlich schnell ausbreitet. Mittlerweile kennen wir aber die Geschwindigkeit und wir kennen sie sogar exakt. Sie muss nicht mehr gemessen werden; sie folgt direkt aus den fundamentalen Definitionen der Zeit- und Längeneinheiten die in den letzten Jahrzehnten eingeführt worden sind. Und demnach ist Licht exakt 299.792,458 Kilometer pro Sekunde schnell.

Dem Licht kann man nicht davon laufen! (Bild: gemeinfrei)

Dem Licht kann man nicht davon laufen! (Bild: gemeinfrei)

Und da sind wir schon beim ersten Punkt. Denn diese Zahl beschreibt eigentlich nur die sogenannte Vakuumlichtgeschwindigkeit. Also die Geschwindigkeit die das Licht hat, wenn es sich durch den leeren Raum bewegt. Tut Licht das nicht sondern bewegt sich durch irgendein anderes Medium, dann ist es langsamer. Bewegt sich das Licht beispielsweise durch Luft, dann ist es “nur” noch ungefähr 299.705 Kilometer pro Sekunde schnell. Im Wasser kann es sich mit circa 225.000 Kilometer pro Sekunde ausbreiten; in Glas mit etwa 160.000 Kilometer pro Sekunde.

Das hat wichtige Auswirkungen, auch und vor allem für die Astronomie. Denn wenn Licht sich von einem Medium in ein anderes bewegt, dann muss es seine Geschwindigkeit verändern. Es wird schneller oder langsamer und das bedeutet, das es seine Richtung ein wenig verändert. Wer möchte kann das leicht bei einem simplen Experiment zuhause ausprobieren. Man braucht dazu nur einen Laserpointer und durchsichtiges Gefäß mit Wasser. Wenn man den Laserstrahl auf das Wasser richtet dann wird man sehen, dass er die Richtung ändert sobald er die Wasseroberfläche durchdringt.

Das aber passiert nicht nur mit einem Laserpointer sondern mit allen Lichtstrahlen. Dieses Phänomen nennt sich Lichtbrechung und ist eine fundamentale Eigenschaft wenn man sich mit der Optik beschäftigen will. Die Linsen aus Glas oder Plastik die wir für Brillen oder Teleskope benutzen funktionieren nur deswegen, weil das Licht gebrochen wird wenn es auf sie trifft. Nur so kann Licht gesammelt, gebündelt und so weiter werden und nur so können Brillen dafür sorgen das wir besser sehen oder sind Teleskope in der Lage uns ferne Sterne und Galaxien zu zeigen.

Die Lichtbrechung macht den Astronomen die Arbeit aber auch schwer. Das Licht wird ja auch gebrochen wenn es aus dem Vakuum des Alls in die Lufthülle der Erde eindringt. Wie es dabei genau gebrochen wird hängt von den Eigenschaften der Luft ab. Ihrer Temperatur, dem Luftdruck, und so weiter. Man könnte sich einen riesigen Stapel verschiedener optischen Linsen vorstellen die vom Erdboden bis zum Himmel reichen und die das Sternenlicht auf seinem Weg zu uns alle durchqueren muss. Überall wird es ein klein wenig abgelenkt und überall auf eine leicht unterschiedliche Weise. Und weil die Luft der Atmosphäre ständig in Bewegung ist, würden auch all diese fiktiven Linsen ständig durcheinander wirbeln. Das Resultat ist dann kein klares und scharfes Bild des Sterns den wir beobachten, sondern ein unscharfes, flackerndes verschmiertes Objekt. Wenn wir in einer klaren Nicht die Sterne am Himmel flackern und blinken sehen, dann liegt das daran, dass das Licht auf seinem Weg zu uns ständig die Geschwindigkeit ändert.

In Folge 106 der Sternengeschichten habe ich erklärt wie die Astronomen dieses Problem mit der sogenannten “adaptiven Optik” in den Griff bekommen haben. In anderen Bereichen haben sich Wissenschaftler ebenfalls mit der Lichtbrechung beschäftigt und dabei interessante Dinge heraus gefunden. Was für die Luft gilt, gilt für das Wasser natürlich genau so. Licht wird langsamer, wenn es aus der Luft ins Wasser eindringt. Und auch hier hängt es von den Eigenschaften des Wassers ab; von seiner Temperatur und den Stoffen die darin gelöst sind.

Wer sich mit der Produktion von Wein beschäftigt, hat zum Beispiel sicher schon mal den Begriff “Grad Oechsle” gehört. Dabei geht es nicht um kleine Ochsen, sondern um eine Maßeinheit die nach dem deutschen Mechaniker Ferdinand Oechsle benannt ist und bei Traubensaft das sogenannte “Mostgewicht” misst. Dabei handelt es sich um ein Maß für die Menge der Stoffe die im Traubensaft gelöst sind und das ist vor allem Zucker. Und die Qualität des Weins der aus dem vergorenen Traubensaft entsteht hängt ganz stark von dieser Zuckermenge ab – es ist also verständlich das Weinbauern sehr genau darüber Bescheid wissen wollen. Dazu benutzen sie ein Refraktometer, also ein Gerät mit dem sie messen können wie stark das Licht beim Durchgang durch den Traubenmost abgelenkt wird. Und das hängt direkt mit der Menge am im Saft gelösten Zucker zusammen.

Zu messen beziehungsweise zu beeinflusse wie sich die Geschwindigkeit des Lichts in verschiedenen Medien verändert hat unzählige technische Anwendungen. Aus der Tatsache dass das Licht je nach Medium seine Geschwindigkeit verändern kann, folgen aber noch ein paar andere interessante Phänomene.

Albert Einstein hat ja in seiner speziellen Relativitätstheorie aus dem Jahr 1905 festgestellt, dass die Lichtgeschwindigkeit die absolute Obergrenze für die Bewegung durch den Raum ist. Nichts kann sich schneller als das Licht bewegen. Aber auch hier ist eigentlich die Vakuumlichtgeschwindigkeit gemeint. Also: Nichts kann sich schneller als mit 299.792,458 Kilometer pro Sekunde durch den Raum bewegen. Wenn es nicht um das Vakuum geht sondern ein anderes Medium, dann kann man das Licht durchaus überholen. Und das kann man sogar beobachten! In Kernkraftwerken werden zum Beispiel Brennelemente oft in mit Wasser gefüllten Ausklingbecken gelagert. Durch die Radioaktivität geben diese Brennelemente unter anderem Elektronen ab, die sich sehr schnell bewegen. Die Elektronen sind elektrisch geladen; das Wasser durch das sie sich bewegen nicht. Wenn sich nun diese geladenen Teilchen durch das Wasser bewegen, dann geben sie dabei elektromagnetische Wellen ab. Normalerweise löschen sich die Wellen der verschiedenen Teilchen gegenseitig aus und man kriegt davon nichts mit. In diesem Fall bewegen sich die Elektronen im Wasser aber schneller als sich das Licht dort ausbreiten kann. Und Licht ist ja auch nichts anderes als elektromagnetische Strahlung. Die Elektronen sind also schneller als das Licht das sie abstrahlen und die Wellen können sich dann nicht mehr auslöschen. Sie erzeugen ein bläuliches Leuchten, die sogenannte “Tscherenkow-Strahlung”. Sie ist das optische Gegenstück zu einem Überschnallknall der entsteht wenn sich irgendetwas schneller als der Schall bewegt.

Das blaue Tscherenkow-Licht in einem Kernreaktor zeigt überlichtschnelle Teilchen an  (Bild: Pieckd, CC-BY-SA 3.0)

Das blaue Tscherenkow-Licht in einem Kernreaktor zeigt überlichtschnelle Teilchen an (Bild: Pieckd, CC-BY-SA 3.0)

Man kann diese Tscherenkow-Strahlung aber nicht nur einfach beobachten; die Astronomen benutzen sie auch um mehr über das Universum herauszufinden. Tscherenkow-Licht gibt es nicht nur in den Abklingbecken von Kernkraftwerken sondern auch wenn sich sehr schnelle Teilchen der kosmischen Strahlung aus dem Weltall in die Lufthülle der Erde bewegen. Im Vakuum des Alls sind diese Teilchen natürlich langsamer als das Licht unterwegs; kaum treffen sie auf die Atmosphäre der Erde sind sie aber plötzlich überlichtschnell, da das Licht hier stärker abgebremst wird als die Teilchen. Es gibt einen kurzen Tscherenkow-Blitz den man mit speziellen Teleskopen beobachten kann. Auch die Teilchenphysiker nutzen das Prinzip wenn sie nach Elementarteilchen wie den Neutrinos suchen und ich habe in Folge 103 der Sternengeschichten mehr davon erzählt.

Überlichtgeschwindigkeit existiert also wirklich. Man kann sie beobachten und man kann die daraus resultierenden Phänomene nutzen. Aber es handelt sich eben immer nur um Überlichtgeschwindigkeit außerhalb des Vakuums. Die 299.792,458 Kilometer pro Sekunde mit denen sich das Licht im Vakuum ausbreitet bleiben weiterhin die absolute Obergrenze für jede Bewegung durch den Raum. Warum das so ist und warum wir uns von den Science-Fiction-Filmen mit ihren überlichtschnellen Raumschiffen keine allzugroße Hoffnung für schnelles Reisen durchs Universum machen sollten: Das erfahrt ihr in der nächsten Folge der Sternengeschichten.

Kommentare (32)

  1. #1 Stefan H.
    15. September 2017

    Eine kurze Frage. Wenn sich das Licht durch ein anderes Medium bewegt und dadurch langsamer wird, würde sich das Licht dann beim Verlassen dieses Medium mit der “gebremsten” Geschwindigkeit weiter “bewegen”?

  2. #2 Alderamin
    15. September 2017

    @Stefan H.

    Nein! Das Licht bewegt sich im Vakuum immer gleich schnell. Dass es in Medien wie Glas, Wasser etc. langsamer unterwegs ist, liegt nur daran, dass die einlaufende Welle mit den Atomen im Material interagiert, sie regt diese zum Schwingen an und damit selbst zur Abstrahlung von Lichtwelle, die das Fortschreiten der Lichtwelle per Interferenz (Überlagerung) behindert.

    Das ist nicht leicht nachzuvollziehen, auf dieser Seite gibt man sich alle Mühe, vielleicht hilft das. Entscheidend ist jedenfalls: hinter dem Medium ist die Interferenz mit den Wellen der angeregten Atomen beendet und das Licht bewegt sich wieder mit der ursprünglichen Vakuumgeschwindigkeit fort (in Luft nur einen Ticken langsamer).

  3. […] AOK sind 2016 insgesamt 15.104 neue Verdachtsfälle gemeldet worden Sternengeschichten Folge 251: Lichtgeschwindigkeit Doku: Blackbox Heim – Kinder hinter verschlossenen Türen Doku: Die Fahrraddiebe Doku: […]

  4. #4 UMa
    15. September 2017

    Aus aktuellem Anlass: Cassini ist vor ca. 50 min in den Saturn gestürzt. Die letzten Daten werden, wegen der endlichen Lichtgeschwindigkeit, voraussichtlich in ca. 30 min empfangen.
    http://www.astronews.com/news/artikel/2017/09/1709-012.shtml

  5. #5 tomtoo
    15. September 2017
  6. #6 Langnasa
    15. September 2017

    Was ich nicht verstehe: Wird das Licht denn in dem Medium überall gleich abgebremst? Wenn ja, müsste der Lichtstrahl doch eigentlich eine Kurve oder sogar eine Spirale bilden, oder nicht? (Wie ein Teilchen in einem Feld). Warum macht das Licht nur an einer Stelle einen Knick – und zwar am Übergang von einem Medium zum anderen?

  7. #7 tohuwabohu
    Berlin
    15. September 2017

    @Langnasa #6
    Die Lichtgeschwindigkeit in einem Medium ist ein materialabhängiger Wert (optische Dichte). Sie gilt, solange sich die Lichtwelle / das Photon, durch diese Material bewegt. Es handelt sich nicht um so etwas, wie Reibung, bei der ein stetiger Energieverlust erfolgt. Sobald das Licht in ein anderes Material gelangt “bewegt” es sich mit der dort gültigen Geschwindigkeit fort.

  8. #8 Alderamin
    15. September 2017

    @Langnasa

    In diesem kurzen Video wird ganz nett illustriert, warum Licht gebrochen wird, wenn es die Geschwindigkeit ändert. Aber vergiss den Newtonschen Korpuskelkram, konzentiere Dich auf die Erklärung nach Huygens.

    Wie @tohwabohu sagt, wird es nicht städnig gebremst, sondern ändert die Geschwindigkeit nur beim Wechsel des Mediums in die Geschwindigkeit, die für das Medium charakteristisch ist. Eigentlich wird das Licht gar nicht wirklich verlangsamt, es tritt nur ein Überlagerungseffekt zwischen der originalen Welle und Wellen ein, die diese in den Atomen des durchlaufenen Stoffes verursacht. Wellenpakete werden dadurch gebremst (“Gruppengeschwindigkeit”), die Wellen selbst eigentlich nicht (“Phasengeschwindigkeit”).

  9. #9 tohuwabohu
    Berlin
    15. September 2017

    Das Besondere an der Lichtgeschwindigkeit (im Vakuum) ist, dass es egal ist, wie schnell derjenige, der sie misst selbst ist, er kommt immer auf denselben Wert.
    Und wenn das Photon auf seine Stoppuhr sieht, dann stellt es fest, dass es selbst keine Zeit benötigt, um an einen anderen Ort zu gelangen.
    Und wenn es sein Maßband aus der Tasche zieht, merkt es, dass alle Orte des Universum quasi an demselben Punkt liegen, denn es muss auch keine Entfernung zurücklegen um jede beliebige Stelle zu erreichen.

  10. #10 Langnasa
    15. September 2017

    @tohuwabohu @Alderamin Danke. Das Video und der Hinweis, an dieser Stelle Licht eher als Welle statt als Teilchen zu sehen, helfen. Auch wenn ich wohl erstmal noch weiter Schwierigkeiten haben werde, es wirklich nachvollziehen zu können. Etwa: Einerseits hat Licht bei der Emission immer sofort die volle Geschwindigkeit (es wird nicht erst nach und nach schneller). Andererseits kann Licht langsamer werden oder abgebremst werden…
    Oder: Wenn auch Radiowellen Photonen sind, wieso sieht man sie dann nicht?…
    Echt schwer, das Konzept von Teilchen, das man nun mal so “drin” hat, abzustreifen.

  11. #11 Rolf L.
    15. September 2017

    Hallo zusammen,
    ich bin ein sehr interessierter Laie aber mit dem Thema dieses Blogs weder verwandt noch verschwägert.
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    @tohuwabohu #9
    Eine sehr nette Vorstellung, ein Photon mit Stoppuhr und Maßband “in der Hand”.
    Um auf diese beiden Instrumente zu sehen, muss das Photon aber auch Augen haben.
    In SciFi Filmen, sehr oft und schön z.B. in Star Wars gezeigt, werden Lichtpunkte zu langen Strichen, wenn das Raumschiff die Lichtgeschwindigkeit überschreitet.
    Nun glauben wir ja zu wissen, dass das für unser Photon nicht möglich ist.
    Und wir wissen, dass das Licht (unser Photon) z.B. von der Gr. Magellanschen Wolke bis zu uns ca 170.000 Jahre braucht.
    Jetzt habe ich 2 Fragen:
    1. wieso braucht unser Photon 170Tsd Jahre von dort nach hier, wenn, lt deiner Aussage, für den kleinen Kerl weder Zeit vergeht, noch Entfernung eine Rolle spielt, weil es sie nicht gibt ? (So habe ich das verstanden.)
    2. wie würde Photon unser Universum auf seiner Reise zwichen den Galaxien sehen, so wie wir, als eine Ansammlung von langen Strichen, würde es überhaupt etwas “sehen”?
    Dabei fällt mir ein, die Fragen, besonders die 2. könnte ich wahrscheinlich auch einem Astronauten stellen, der in einer fernen Zukunfte einmal mit genau Lichtgeschwindigkeit durchs Universum düst, oder ?
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    Grüße aus den schönen Rheinland, und verzeiht mir meine Unwissenheit
    Rolf

  12. #12 MartinB
    16. September 2017

    @Alle
    Die Sache mit der Lichtgeschwindigkeit in Medien ist tatsächlich noch etwas komplizierter. Die Abbremsung kann man sich tatsächlich gut über die Interefrenz erklären: Die eintreffende Lichtwelle regt Elektronen zum Schwingen an, die senden dabei ebenfalls eine Lcihtwelle aus, die aber gegenüber der eintreffenden zeitlich etwas verschoben ist. Diese beiden interefrieren miteinander, dadurch wird die Welle etwas verzögert. (Erklärt übrigens auch, warum Metalle reflektieren: Da sind die Elektronen frei zu schwingen, die von den Elektronen ausgesandte Welle ist deshalb genau entgegengesetzt zur einfallenden Welle, so dass die komplett ausgelöscht wird – aber die Elektronen senden auch eine Welle in die andere Richtung aus, die dann die reflektierte Welle ist).

    Komplizierter wird das Ganze aber dadurch, dass tatsächlich ein winziger Teil des Lichts in Glas auch im Glas mit Vakuum-Lichtgeschwindigkeit weiterläuft. Das ist der sogenannte “Sommerfeldsche Vorläufer”, der trägtnur wenig Energie, ist aber messbar. Ein bisschen was dazu gibt es hier:
    http://www.synatech.de/Signalausbreitung/include/Einfuehrung.html

  13. #13 tomtoo
    16. September 2017

    @langnase
    Du kannst Radiowellen nicht sehen weil sie zu langwellig für unser Auge sind. Genauso wie du Röntgen”licht’ nicht sehen kannst weil es zu kurzwellig für unser Auge ist. Ist wie mit unseren Ohren die können auch nur bis. ca 20kHz Hören. Ein 30kHz Ton können wir nicht warnehmen, ein Hund aber ganz prima.

  14. #14 Andreas
    16. September 2017

    Kann mir jemand erklären woher die geschwindigkeit des Lichts überhaupt kommt?

    Ich meine dabei nicht den Wert, den wir ihr zumessen – also soundsoviel Meter in soundsoviel Sekunden.
    Lassen wir die Einheiten einfach weg – das Licht bewegt sich wenn die Zeit voranschreitet. Aber warum?

    Noch anders gefragt: Wenn ich vom Standpunkt des Photons ausgehe, welches ja tatsächlich keine Zeit verspürt und alle Punkte des Raums gleichzeitig einnimmt, dann muss ja irgendeine Transformation stattfinden, in der sich “Etwas” auf “unser” Niveau “herunterbewegt” und sich dabei in die von uns wahrgenommene Geschwindigkeit manifestiert.
    Ok – Licht ist eine Konstante, aber WIR sind ja offensichtlich nicht überall gleichzeitig im Raum vorhanden und für UNS vergeht Zeit.
    Wo ist also der Unterschied?

  15. #15 MartinB
    16. September 2017

    @Andreas
    Es ist physikalisch nicht sinnvoll, vom “Standpunkt des Photons” auszugehen.
    Meiner Ansicht nach sollte man es eher so sehen, dass unsere Raumzeit eine kausale Struktur hat, die festlegt, dass sich Ereignisse nur dann beeinflussen können, wenn sie durch ein Signal mit kleiner-gleich einer festgelegten Maximalgeschwindigkeit verbunden werden können.
    Licht ist dann schlicht ein physiklaisches Feld, das sich mit dieser Geschwindigkeit ausbreitet. Die Relativitätstheorie könnte es aber auch ohne Licht geben; entscheidend ist, dass es eine Maximalgeschwindigkeit gibt.
    Das macht die Raumzeit wesentlich “lokaler” als es z.B. die Newtonsche Raumzeit ist, in der zwei beliebig weit entfernte, beliebig dicht nacheinander stattfindende Ereignisse sich immer noch beeinflussen können.

  16. #16 Andreas
    16. September 2017

    “Es ist physikalisch nicht sinnvoll, vom “Standpunkt des Photons” auszugehen.”
    Der Satz bringt mich zum Schmunzeln…

    Aber das hier:”…dass sich Ereignisse nur dann beeinflussen können, wenn sie durch ein Signal mit kleiner-gleich einer festgelegten Maximalgeschwindigkeit verbunden werden können.”

    Wer hat das mit was festgelegt? Ich vermute Einstein in seiner ART.

    Es muss sich ja aus einer Formel herauskristallisiert haben: “Hey, es klappt wenn ich eine Obergrenze setzte die soundso ist.” Aber wie kommt man auf diese Maximalgeschwindigkeit (wie bereits erwähnt, ohne spezifische Einheiten)?

  17. #17 MartinB
    16. September 2017

    @Andreas
    Das ist eine direkte Konsequenz der tatsache, dass die Lichtgeschwindigkeit für alle Beobachter dieselbe ist. Daraus folgt zwingend, dass sich nichts schneller als Licht bewegen kann (sonst könnte ich Licht überholen, dann wäre c für mich anders) und kein Beobachter mit c. (und deswegen gibt es auch keinen “Standpunkt des Photons” – Photonen sind keine Beobachter.)
    Drauf kommen tut man (wie immer) durch Experimente – in dem fall Michelson-Morley und seitdem diverse andere, die c als konstant belegt haben.

  18. #18 Krypto
    16. September 2017

    @Andreas: Beobachten setzt eine verstreichende Zeit voraus. Für das Photon vergeht jedoch keine.

  19. #19 Alderamin
    16. September 2017

    @Rolf L.

    1. wieso braucht unser Photon 170Tsd Jahre von dort nach hier, wenn, lt deiner Aussage, für den kleinen Kerl weder Zeit vergeht, noch Entfernung eine Rolle spielt, weil es sie nicht gibt ? (So habe ich das verstanden.)

    Du musst unterscheiden, in welchem System die Zeit gemessen wird. Nimm’ mal statt eines Photons mit Lichtgeschwindigkeit ein Raumschiff an, das mit 90% Lichtgeschwindigkeit relativ zu einem als ruhend angenommenen Beobachter unterwegs ist. Für den ruhenden Beobachter bewegt es sich mit 90% Lichtgeschwindigkeit und braucht für 100 Lichtjahre 111 Jahre. Der Beobachter sähe die Uhren an Bord des Raumschiffs aber langsamer laufen, um den Faktor sqrt(1-v^2/c^2) verlangsamt. Dabei ist v die Geschwindigkeit des Raumschiffs und c die Lichtgeschwindigkeit, also v^2/c^2 = 0,9^2 = 0,81 und sqrt (1-v^2/c^2) = 0,436. Die Uhr an Bord läuft also weniger als halb so schnell. Nach 111 Jahren zeigt sie nur 48,38 Jahre an.

    Wie sieht das an Bord aus? Relativ zum Beobachter sieht sich ein Passagier natürlich auch mit 0,9c unterwegs, das muss ja symmetrisch sein. Und auf der Uhr liest er 48,38 Jahre Flugzeit ab. Damit hat sich für ihn das Raumschiff 48,38 Jahre * 0,9c = 43,54 Lichtjahre weit fortbewegt, aber das Raumschiff ist dann an der selben Stelle, wo der Beobachter es nach 111 Jahren sieht, nämlich 100 Lichtjahre entfernt. Folglich sehen bewegte Beobachter eine zurückgelegte Strecke verkürzt. Je schneller sie unterwegs sind, desto langsamer gehen ihre Uhren und umso kürzer erscheinen Strecken. Bei Lichtgeschwindigkeit als Grenzwert bliebe die Uhr dann stehen und alle Entfernungen schrumpften zu 0 zusammen, aber kein Objekt mit Masse kann die Lichtgeschwindigkeit erreichen. Nur Licht kann das, deswegen sind “auf die Uhr schauende Photonen” unphysikalisch.

    Das Ganze ist übrigens vollkommen symmetrisch, der Raumschiffinsasse sähe die Uhr des ruhenden Beobachters ebenfalls um den Faktor 0,436 verlangsamt, und der Beobachter sähe das Raumschiff um diesen Faktor verkürzt (das Raumschiff nimmt hier die Stelle der verkürzten Strecke ein, die mit 0,9c vorbei rauscht) (das führt dann zum Zwillingsparadoxon, wessen Uhr hat denn jetzt recht und was zeigen die Uhren an, wenn man sie vergleicht, aber dazu muss einer der beiden an den Ort und auf die Geschwindigkeit des anderen kommen, und damit wechselt er das System, was die Uhren dann derart beeinflusst, dass die Uhr desjenigen, der zum anderen hin kommt, weniger Zeit anzeigt)

    2. wie würde Photon unser Universum auf seiner Reise zwichen den Galaxien sehen, so wie wir, als eine Ansammlung von langen Strichen, würde es überhaupt etwas “sehen”?

    Da für das Photon der Zeitbegriff keinen Sinn macht, gibt es für ein Photon keine Abfolgen, also kann es auch nichts wahrnehmen. Für einen Raumschiffinsassen mit hoher Geschwindigkeit erscheinen, wie gesagt, Strecken in Flugrichtung verkürzt, das gilt auch für alle Objekte, die er oder sie sieht. Sterne sind eigentlich zu weit weg, um sie als ausgedehnte Kugeln zu sehen, bis auf unsere Sonne, aber würde so ein Raumschiff nahe an einem Stern vorbei fliegen, würde der Stern in Bewegungsrichtung des Raumschiffs zusammengedrückt erscheinen, wie Rotationsellipsoid (so ähnlich wie eine Diskusscheibe). Galaxien sind ausgedehnt, die würden ebenfalls in Flugrichtung gequetscht erscheinen. Zu Strichen auseinander gezogen wird da nichts, das ist Fantasie der Science-Fiction-Autoren. Was man hingegen sehen würde, wäre, dass Sterne in Flugrichtung bläulicher und solche in Gegenrichtung rötlicher erscheinen, durch den Dopplereffekt. Sieht man eher nicht in SF-Filmen.

  20. #20 Andreas
    16. September 2017

    Danke für die Antworten.

    Da was ich suchte… diesen “Faktor” – ich hab’s als Lorentz-Transformation identifiziert.
    Ich dachte mir:”Die einzige Variable bei einer Konstanten Lichtgschwindigkeit ist die Längenveränderung.”

    Und über Längenkontraktion bei Wikipedia stößt man dann auf die Lorentz-Transformation.
    Zitat: “Die folgenden Überlegungen klären, wie Koordinaten zusammenhängen, die inertiale Beobachter (Beobachter die fest mit einem Inertialsystem verbunden sind) zur Benennung der Zeit und des Ortes von Ereignissen verwenden. …
    Um die Formeln einfach zu halten, wird als Längeneinheit die Strecke, die Licht in einer Sekunde zurücklegt gewählt. Dann haben Zeit und Länge dieselbe Maßeinheit und die dimensionslose Lichtgeschwindigkeit beträgt c = 1. Die Geschwindigkeit v wird also in Einheiten der Lichtgeschwindigkeit gemessen.”

    Und die dann folgende Herleitung erklären zumindest die Zusammenhänge. Nur schade das man nicht so einfach konkrete Rechenbeispiele im Netz findet, um mir diesen linearen “Abstieg” von: ich verlangsame mich von c auf maximalen Stillstand im Verhältnis zu “keine Ausdehnung vorhanden” bis “maximale Längenausdehnung” erreicht, zu verdeutlichen

  21. #21 MartinB
    16. September 2017

    @Andreas
    Versuch’s mal damit:
    http://www.trell.org/div/minkowski.html
    Da kannst du dir Ereignisse in unterschiedlichen Bezugssystemen interaktiv ausrechnen lassen. Ist ziemlich nützlich…
    Generll sind Minkowski-Diagramme immer das Mittel der Wahl, um zu verstehen, wie Sach in unterschiedlichen Bezugssystemen aussehen…
    Siehe auch hier
    http://scienceblogs.de/hier-wohnen-drachen/2013/12/08/ein-teilchen-fliegt-von-a-nach-b-teil-1-klassische-physik-und-relativitaetstheorie/?all=1

  22. #22 Andreas
    16. September 2017

    Dank Dir für den Link, Martin.
    Die Seite mit dem interaktiven Minkowski Diagramm ist wirklich was Feines.

    Aber noch mal zurück zur “Sicht des Photons”.
    Befinden sich die zugehörigen Felder der Teilchen nicht überall im gesamten Raum verteilt – und manifestiert sich nicht durch Erregung eben dieses Feldes ein Teilchen mit definierter Energie?

    Was ich sagen will: Ist dieses, was wir als “Null Zeit und null Raum” (aus “Sicht”) des Photons beschreiben nicht eben jener Zustand des “Photons” in seiner unerregten Feldform, welche sich durch das Universum verschmiert?
    Das Feld würde sicherlich (selbst wenn es könnte) keine Zeit verspüren. (fü mich ist aus dem Grund die “Spukhafte Fernwirkung” auch nicht spukhaft – existiert keine Raumzeit ist Verschränkung nichts Ungewöhnliches, oder?)

    Erst wenn sich ein Teilchen als Quantenobjekt manifestiert spürt es sowohl Raum (uns als als unscharfes Objekt bekannt) als auch Zeit, was in Kombination, für uns eine “Geschwindigkeit” darstellt.

  23. #23 Rolf L.
    16. September 2017

    Hallo zusammen,
    ich bin ein sehr interessierter Laie aber mit dem Thema dieses Blogs weder verwandt noch verschwägert.
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    @Alderamin #19

    Vielen Dank für Deine ausführliche Antwort, aber so richtig verstanden habe ich es als Nichtphysiker es wahrscheinlich nicht. Spanned ist es trotzdem.

    Eine Frage habe ich doch noch.
    Du schreibst:
    “…würde so ein Raumschiff nahe an einem Stern vorbei fliegen, würde der Stern in Bewegungsrichtung des Raumschiffs zusammengedrückt erscheinen, wie Rotationsellipsoid (so ähnlich wie eine Diskusscheibe).” und “Was man hingegen sehen würde, wäre, dass Sterne in Flugrichtung bläulicher und solche in Gegenrichtung rötlicher erscheinen”.

    Wenn der Stern IN Flugrichtung wie eine blaue / bläuliche Diskusscheibe aussehen würde, wie würde er GEGEN die Flugrichtung, also zurück gesehen aussehen, wie ein roter / rötlicher Diskus oder ändert sich außer der Farbe auch die “Form” ?
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    Grüße aus den schönen Rheinland, und verzeiht mir meine Unwissenheit
    Rolf

  24. #24 tohuwabohu
    Berlin
    16. September 2017

    @Rolf L. #23
    Die Verzerrung erscheint parallel zur Bewegungsrichtung, d.h. wäre beim Vorbeiflug (also rechtwinklig zur Bewegungsrichtung) am besten zu sehen, aber auch bei schräger Sicht erkennbar. Dies gilt unabhängig davon, ob der Stern vor oder hinter einem liegt. Nähere Informationen dazu bei LEIFI Physik oder Wikipedia (Lorentzkontraktion bzw. Lorentz-Transformation).

    Übrigens: Die Darstellung in SF-Filmen (lange Striche) soll wohl eine Art “Bewegungsunschärfe” darstellen, da die Sterne so schnell vorbeiziehen, dass man sie nicht mehr scharf sehen kann. Die Blauverschiebung wird dabei allerdings unterschlagen. Bei derartig hohen Geschwindigkeiten würde ich aber sowieso nicht so gerne am Bullauge stehen – Sonnenbrand wäre wohl noch die harmloseste Folge, vermutlich würde man mit harter Röntgenstrahlung verbruzzelt werden. Bei der Beschleunigung würde man zudem als Brei an der Rückwand enden (verbranntes Rührei) – deshalb haben die SF-Raumschiffe ja auch alle “künstliche Schwerkraft”, “Trägheitsdämpfer” und noch so allerlei physikalische Unmöglichkeiten an Bord.

  25. #25 Alderamin
    16. September 2017

    @Rolf L.

    Zusammengedrückt erschienen die Sterne/Galaxien überall, voraus, seitlich und hinter dem Raumschiff, und zwar verkürzt in Richtung der Bewegung des Raumschiffs (man sähe also Diskusscheiben von der “Unterseite” bzw. “Oberseite” voraus und nach hinten, und von der Kante in seitlicher Richtung). Die Farbverschiebung wäre bläulich in Flugrichtung, rötlich entgegen der Flugrichtung und unverändert im rechten Winkel dazu. Dazwischen Übergänge (umso bläulicher, je weiter vorne / umso rötlicher, je weiter hinten).

  26. #26 Rolf L
    17. September 2017

    Hallo zusammen,
    ich bin ein sehr interessierter Laie aber mit dem Thema dieses Blogs weder verwandt noch verschwägert.
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    @tohuwabohu + Alderamin

    Danke !! :-))
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    Grüße aus den schönen Rheinland, und verzeiht mir meine Unwissenheit
    Rolf

  27. #27 MartinB
    17. September 2017

    @Andreas
    Bitte nicht böse sein, aber das ist mir zu unspezifisch und begrifflich zu unscharf gefragt – was bedeutet es, dass ein Feld Raum und Zeit spüren, was genau bedeutet hier “manifestieren” usw….
    Es ist wirklich schlicht so, dass es nicht sinnvoll ist, sich in ein Bezugssystem setzen zu wollen, bei dem v=c ist. Das ist vollkommen unabhängig von Quanteneigenschaften des Photons o.ä.

  28. #28 Andreas
    17. September 2017

    @MartinB
    Ne,ne…bin dir nicht böse. So ist das halt, wenn man versucht Zusammenhäge für sich intuitiv, in der Art eines Gedankenexperimentes zu erklären.
    Als Physiker sträuben sich da einem wahrscheinlich die Nackenhaare.

  29. #29 MartinB
    17. September 2017

    @Andreas
    Das problem ist, dass man sich dabei extrem leicht selbst täuscht und denkt, man habe was verstanden, während man in Wahrheit nur mit Worten spielt. Das ist ja auch ein – von mir oft bemängeltes – Problem vieler “anschaulicher Erklärungen”. Die klingen gut, erwecken den Eindruck, man würde was verstehen, haben nur das Problem, dass sie sofort zusammenbrechen, wenn man sie weiterdenkt. (cih sage nur “Gummituchmodell der ART”.)
    Deswegen versuche ich immer, meine anschaulichen Modelle so zu bauen, dass sie auch wirklich passen; und dazu braucht man eben auch klar und sauber definierte Begriffe.

  30. #30 Jens
    17. September 2017

    MartinB hat die Maximalgeschwindigkeit des Lichts im Vakuum unter #15 sehr schön mit der Kausalstruktur der Raum-Zeit begründet. Da es in Medien wie Luft, Wasser usw. aber offensichtlich keine Maximale Ausbreitungsgeschwindigkeit gibt, könnten dort Phänomene beobachtet werden die diese Kausal-Struktur verletzen?

  31. #31 MartinB
    18. September 2017

    @Jens
    Nein, weil z.B. die Schallgeschwindigkeit nicht für alle Beobachter dieselbe sein muss, das gilt nur für Vakuum-c.
    Man kann allerdings Schall-Analogien nutzen, um z.B. Ereignis-horizonte zu simulieren:
    https://www.newscientist.com/article/dn17319-physicists-create-black-hole-for-sound/

  32. #32 Stefan H.
    18. September 2017

    @Alderamin
    Danke für die Antwort