Licht bewegt sich mit exakt 299.792,458 Kilometer pro Sekunde. Allerdings nur wenn es sich im Vakuum bewegt. Wenn es sich in irgendeinem anderen transparenten Medium – Luft, Wasser, etc – ausbreitet, ist es langsamer. Dieses Phänomen ist weder neu, noch unbekannt. Gerade in der Astronomie macht es Ärger: Da sich das Licht der Sterne auf seinem Weg durch die Erdatmosphäre durch unterschiedlich warme und dichte Luftschichten bewegt, ändert es auch ständig seine Geschwindigkeit. Und damit seine Richtung. Das Resultat: Die Sterne flackern, was recht nett aussehen kann, wenn man den Himmel einfach nur so aus Spaß an der Freunde ansieht. Es ist aber extrem nervig, wenn man scharfe Bilder der Sterne machen und ihre Positionen exakt messen will (ich habe darüber hier schon mal mehr geschrieben). Die Astronomie hat gelernt mit diesem Problem umzugehen – aber es bleibt die Frage: Warum macht das Licht das?

Wieso wird das Licht langsamer? Und wo kriegt es die Energie her, um danach wieder schneller zu werden? Das sind gute Frage, und die Antworten sind gar nicht so leicht zu finden. Es gibt Antworten, die logisch klingen aber trotzdem falsch sind. Natürlich gibt es auch eine korrekte Antwort. Man muss ein wenig überlegen um sie zu verstehen und man muss ein paar grundlegende Dinge über Licht und Materie erklären. Aber eigentlich ist es nicht so schwer. Don Lincoln vom Fermilab erklärt die ganze Sache in diesem sehenswerte Video:

Licht ist seltsam. Und beeindruckend! Aber noch beeindruckender (und genau genommen nicht weniger seltsam) ist die Tasache, dass wir diesen ganzen Kram verstehen und erklären können! Und dabei handelt es sich nicht nur um zwar faszinierendes aber abstraktes Wissen – wer eine Brille trägt kann das Phänomen der Lichtbrechung jeden Tag ganz direkt selbst erleben!

Kommentare (33)

  1. #1 hto
    15. Mai 2019

    Ha ha, eine schöne Frage, der man wohl am besten mit einem LSD-trip nachgeht :))

  2. #2 Captain E.
    15. Mai 2019

    @hto:

    Ich nehme einmal an, dass du dich mit LSD-Trips gut auskennst. Astronomie oder Physik ist bekanntermaßen nicht so dein Ding.

  3. #3 hto
    15. Mai 2019

    @Captain E.

    Also ohne das Video gesehen zu haben, nehme ich mal an: Es wird nicht langsamer, es wird nur durch die zusätzlichen Wellen von Atmosphären gebrochen, zerstreut und für unsere Wahrnehmung scheinbar langsamer.
    Und Du hast recht, es gibt bessere natürlichere Substanzen für unsere Wahrnehmung :))

  4. #4 Ramon
    Genf
    15. Mai 2019

    Für den Austritt aus dem Glas oder was auch immer fehlt nach wie vor die Erklärung, woher die Energie zum Beschleunigen kommt. Schließlich war vorher die Geschwindigkeit reduziert, im Eis unter Umständen sehr stark reduziert. Man sieht ein paar Grafiken und Bällchen, aber die Erklärung bleibt aus.

    Ich stelle mir ein Pferd vor, das durch Wasser reitet. Wenn es dann wieder ans Ufer kommt, kann es wieder ohne Widerstand schneller galoppieren, aber dazu braucht es Kraft.

    Mir scheint das nur ein gutes Beispiel für ein bislang unvollständiges oder sogar falsches Gedankenmodell zu sein. Man versucht ziemlich platt etwas wegzuerklären, ähnlich, wie beim Tunneln und den vielfachen Überlichtgeschwindigkeiten, die schon letztes Jahrhundert in Köln gemessen wurden.

  5. #5 Christian Berger
    15. Mai 2019

    Ich vermute mal dafür gibts keine korrekten und gleichzeitg anschaulichen Bilder dafür. In der Elektrotechnik hat man da im Glas einfach ein anderes εr was dann durch die Maxwellschen Gleichungen halt eine andere Gruppenlaufzeit ergibt.

  6. #6 schlappohr
    15. Mai 2019

    @Ramon

    Im Gegensatz zu einem Pferd sind Photonen sind masselos und benötigen daher keine Energie zum Beschleunigen. Sonst kämen sie nur ziemlich mühevoll aus der Schreibtischglühbirne heraus und wir säßen im Dunkeln.

    Man versucht ziemlich platt etwas wegzuerklären,

    Ok, da hast du wohl eine bessere Erklärung. Teilst Du sie mit uns?

  7. #7 MartinB
    http://scienceblogs.de/hier-wohnen-drachen
    15. Mai 2019

    Ich finde die Auflösung, warum die ersten Ideen falsch sind und wie man das zeigen kann, sehr gut, aber bei der echten Erklärung fehlt ein bisschen die Begründung, *warum* denn nun die resultierende Welle langsamer wird, oder nicht?

    Was tatsächlich (im em-Wellen-Bild erklärt) passiert ist, dass jedes Elektron mit derselben Frequenz, aber nicht in Phase mit der einfallenden Welle ist Entsprechend wird beid er resultierenden Welle jeder Wellenberg etwas verzögert. Wenn man das jetzt mit vielen Atomlagen hintereinander tut, dann sieht man, dass dadurch die Welle insgesamt verlangsamt wird. Das schöne ist, dass man mit demselben Modell auch erklären kann, warum Metall spiegelt: Die Elektronen schwingen frei, sind damit in Phase mit der einfallenden Welle und senden eine um 180 Grad phasenverschobene Welle aus, die die einfallende Welle auslöscht im Inneren, aber eben auch in die Einfallsrichtung ausgesandt wird. Das geht nur, weil die Elektronen frei sind und weil nur eine sehr dünne Schicht von Elektronen beteiligt ist.
    (Details gibt’s in meiner Vorlesung “Funktionswerkstoffe”…)

  8. #8 Ramona
    Genf
    15. Mai 2019

    @ Schlappohr

    Eine bessere Erklärung habe ich nicht, doch gar keine Erklärung finde ich besser, wie eine falsche. Es fehlt einfach die Kraft zur Beschleunigung hinterher – etwas wird verlangsamt, etwas wird beschleundigt. Irgendwoher mus die Kraft kommen (und es muss auch einen kontinuierlichen Übergang geben), sonst ist wohl das Modell falsch.

  9. #9 Captain E.
    15. Mai 2019

    @Ramona:

    Das Licht ist aber kein Mensch, der ins Wasser rennt, dann durch das Wasser abgebremst wird und sich schwimmend viel langsamer bewegt und nach dem Heraussteigen auf volle Laufgeschwindigkeit beschleunigt.

    Also, eine Beschleunigung (negativ wie positiv) im klassischen Sinne findet nicht statt. Das Licht bewegt sich immer mit Lichtgeschwindigkeit, nur ist die eben materialabhängig.

  10. #10 schlappohr
    15. Mai 2019

    @Ramona

    gar keine Erklärung finde ich besser, wie eine falsche.

    Darüber kann man sich streiten. Wenn du weißt, dass eine bestimmte Erklärung falsch ist, dann weißt du mehr, als wenn du gar keine Erklärung hast.
    Abgesehen davon ist die Erklärung in diesem Fall nicht falsch, sie kommt allenfalls im Video nicht so richtig rüber, da hast du wohl recht.

  11. #11 MartinB
    http://scienceblogs.de/hier-wohnen-drachen
    15. Mai 2019

    @Ramona
    Es sind im Glas einfach Wellen, die interferieren, und die resultierende Welle erscheint langsamer. Sobald kein Material mehr da ist, kann mit der Welle nichts mehr interferieren und sie ist wieder schneller.

    PS @alle: Es gibt übrigens auch noch den sogenannten “Sommerfeldschen Vorläufer”: Ein sehr kleiner Teil des Lichts bewegt sich auch in Glas mit Vakuumlichtgeschwindigkeit.

  12. #12 Gono
    Berlin
    15. Mai 2019

    @Ramona
    Wenn du bei der Analogie “Pferd vs Licht” bleiben möchtest, dann ist das Glas ein gegen die Laufrichtung des Pferdes gerichtetes Laufband.

    Betritt das Pferd das Laufband, so wird es für den aussenstehenden Beobachter ohne kontinuierlichen Übergang langsamer. Hat es das Laufband überwunden, hat es adhoc wieder die vorherige Geschwindigkeit.

    Im Glas übernimmt die Rolle des Laufbandes die durch das Licht induzierte Elektronenschwingung.

  13. #13 tomtoo
    15. Mai 2019

    @MartinB
    Wenn ich jetzt einzelne Photonen durch das Glas schicke, kann ich dass dann mal so schnell und das nächste so schnell messen?

    Da gibt es doch auch sowas wie evanezenz Wellen, hängt das zusammen?

  14. #14 Bbr
    15. Mai 2019

    @Gono: Der Vergleich mit dem Pferd und dem Laufband ist nun leider komplett falsch. Wenn das Pferd das Laufband verlässt, wird es ja nicht von selbst wieder schneller, sondern muss dafür Energie aufbringen. Und adhoc geschieht das schon gar nicht, sondern es muss beschleunigen.

    Ein Pferd ist eben kein Photon. Insbesondere hat das Pferd eine Ruhemasse und das Photon nicht.

  15. #15 bote19
    15. Mai 2019

    MartinB,
    wäre die Erklärung falsch: Das Licht bewegt sich im Wasser immer noch mit c, aber durch die Interferenz mit den Wassermolekülen wird sein Weg länger .und dadurch erscheint seine v langsamer. ?

  16. #16 pederm
    16. Mai 2019

    @Bbr
    Stell dich mal auf eine Rolltreppe und schau, wie´s dich am Ende auf die Schnauze haut – ad hoc, nämlich, wenn du nicht aktiv beschleunigst!

  17. #17 pederm
    16. Mai 2019

    @bote
    “no good”, Herr Lehrer (4:49 im Video)!

  18. #18 messenger19
    16. Mai 2019

    thank’s pederm,
    that’s a good video. I forgot the electric field inside the glass.

  19. #19 Ramona
    Genf
    16. Mai 2019

    Die Welle wird wieder schneller, weil nix mehr interferieren kann. Das klingt logisch. Beim Interferieren hat sie keine Energie abgegeben? In Form von Wärme, oder so? Aus was besteht sie, wenn sie gar keine Masse hat? Wühlt sich einfach so durchs Glas oder Eis? Und hopp, springt sie am anderen Ende wieder raus (jetzt wohl frei von der lästigen Interferiererei) und kann dann gleich voll Stoff durch die Galaxis? Das klingt wirklich sehr magisch. Ob es auch richtig ist?
    Was ich auch interessant finde, ob es einen Ort gibt, wo nix mit nix interferiert, weil es gibt ja überall Handys und so?

  20. #20 Alderamin
    16. Mai 2019

    @Ramona

    Beim Interferieren hat sie keine Energie abgegeben?

    Interferieren ist einfach die Addition der Wellenamplituden an jedem Ort, wenn die Wellen sich treffen. Passiert auch im Hafenbecken: wenn Wasserwellen an die Wand laufen und reflektiert werden, interferieren sie zu stehenden Wellen, die auf der Stelle auf- und ab schlagen, ohne sich vorwärts zu bewegen.

    In Form von Wärme, oder so?

    Ein Teil der Energie geht natürlich bei Wechselwirkungen mit den Elektronen und Atomen verloren (Wärme, Streuung), das ändert die Intensität des durchlaufenden Lichts, aber nicht die Geschwindigkeit. Wasser kann trübe sein, auch klares Wasser schuckt Licht, erst rotes, dann kürzere Wellenlängen, deswegen ist es in der Tiefe blau. Aber Licht kann gar nicht langsamer als mit Lichtgeschwindigkeit laufen. Und kein Teilchen mit Masse kann Lichtgeschwindigkeit erreichen. Das sind quasi zwei Welten.

    Aus was besteht sie, wenn sie gar keine Masse hat?

    Elektrische und magnetische Felder. Kennst Du auch als Radiowellen. Die gehen z.B. durch Hauswände. Alles eine Frage der Wellenlänge.

    Wühlt sich einfach so durchs Glas oder Eis? Und hopp, springt sie am anderen Ende wieder raus (jetzt wohl frei von der lästigen Interferiererei) und kann dann gleich voll Stoff durch die Galaxis? Das klingt wirklich sehr magisch. Ob es auch richtig ist?

    Definitiv. Licht kann nicht anders.

    Was ich auch interessant finde, ob es einen Ort gibt, wo nix mit nix interferiert, weil es gibt ja überall Handys und so?

    Was meinst Du mit den Handys? Wellen interferieren immer, wenn sie durcheinander laufen. Wasserwellen, Schallwellen, Lichtwellen, ganz gleich. Und wenn sie reflektiert werden, entstehen gegenläufige Kopien (siehe Hafenbecken-Beispiel). Nicht interferieren tun Wellen nur in einem freien Raum ohne Hindernisse, ohne Reflexion.

    Wo Du Handy sagst: lege Dein Handy mal auf den Tisch. Verschiebe es ein paarmal und achte auf die Pegelanzeige. Die ändert sich ca. alle 7,5 cm, ein paar Klötzchen mehr oder weniger. Warum? Stehende Funkwellen von den Mobilfunksendern, Reflexionen der Wellen an den Wänden, Möbeln etc., die im Raum interferieren. An manchen stellen schlagen die elektromagnetischen Felder stärker aus als an anderen, und diese Zonen bewegen sich nicht (solange Sender und Umgebung sich nicht bewegen), genau wie die stehenden Wasserwellen im Hafenbecken.

  21. #21 Umami
    16. Mai 2019

    Das Bild erinnert farblich an ein afd-Werbeplakat.

  22. #22 KanailleWest
    Saarbrücken
    16. Mai 2019

    @Christian Berger
    “…In der Elektrotechnik hat man da im Glas einfach ein anderes εr was dann durch die Maxwellschen Gleichungen halt eine andere Gruppenlaufzeit ergibt.”

    Ja ist schon richtig, aber da braucht´s noch nicht mal gleich den Maxwell, die Lichtgeschwindigkeit im Material ergibt sich direkt aus den Materialeigenschaften gegenüber dem elektrischen und magnetischen Feld und den zugehörigen Naturkonstanten im Vakuum. Wie Du sagst eben dem εr für das entsprechende Material (Glas z.B. 6-8, Vakuum 1) und der elektrischen Feldkonstante ε0, sowie den entsprechenden Größen für´s Magnetfeld (µr und µ0).
    Bei durchsichtigen Materialien ist µr aber wohl sehr nahe bei 1 und hat kaum nennenswerten Einfluss.
    Dann ist die Lichtgeschwindigkeit im Material:
    c’ = SQRT(1/(ε0εrµ0µr))
    (Sorry, erster Kommentar, weiß noch nicht, wie ich das schön formatiert krieg)

    In der Elektrotechnik sagt εr z.B. wie viel mehr Ladung auf einen Kondensator bei gegebener Spannung draufgeht, wenn man das betrachtete Material dazwischen packt, gegenüber Vakuum bzw. in der Praxis Luft, zwischen den leitenden Platten. Also quasi, wie sehr das Material das el. Feld verstärkt. Ähnliches gilt für Magnetfeld bspw. im Bezug auf Trafoeffizienz und Material. Da die Luft recht nahe an εr,µr=1 ist, haben wir hier auch nur wenig langsameres Licht;-).
    Das wäre dann wohl die ganz grobe Betrachtung ohne das Warum…,
    aber der Elektroingenieur braucht da ja nicht viel möhr…
    Was Martin B sagt geht dann der Sache auf den Grund und macht anschaulich, was im Material genau passiert.

    …jetzt aber schnell wieder in’s stille Eck, bevor’s Prügel gibt;-)

  23. #23 pederm
    16. Mai 2019

    “…jetzt aber schnell wieder in’s stille Eck, bevor’s Prügel gibt;-)”
    Das ist ein grundsätzliches Problem: tatsächlich kann Physik nur die Frage Wie? beantworten (asymptotisch an die Realität/Wahrheit immer besser) und nie das Warum? In diese durch prinzipielle Unmöglichkeit offene Lücke stoßen Esoterikerinnen und sonstige Schwurbler. Obwohl sie natürlich nur Blödsinn anzubieten haben, finden sie sinnsuchendes Publikum zuhauf.

  24. #24 Laie
    16. Mai 2019

    Die Lichtgeschwindigkeit ist eine ganz besondere Geschwindigkeit, vor allem dann, wenn sie langsamer oder schneller als die Lichtgeschwindigkeit ist! 😉

  25. #25 Ramona
    Genf
    17. Mai 2019

    Verstehe, die Intensität wird geändert, nicht die Geschwindigkeit. Dann stimmt wohl mit dem Titel des Posts was nicht. Wird ja gar nicht langsamer. Alles klar!

  26. #26 MartinB
    17. Mai 2019

    @Ramona
    Effektiv wird die Welle wegen der Interferenz ja durchaus langsamer.

  27. #27 Hemon
    17. Mai 2019

    Danke für’s Posten des Videos. Leider hab ich es immer noch nicht ganz verstanden 🙁 So richtig eine Antwort gibt der gute Don Lincoln ja nicht, oder? Aber vielleicht verrät sein T-Shirt ja mehr: Wenn ich es richtig verstanden habe, ist es wichtig, dass sich die Frequenz des Lichts ändert, und nicht die Wellenlänge – und deswegen sich ja auch die Farbe ändert… aber darauf kommt Don ja nicht zu sprechen. Für mich ist es weiter nicht ganz klar.

    So in etwa wollte es die Physikerin MartinB in #7 vielleicht sagen?

  28. #28 Tom
    17. Mai 2019

    @Hemon

    Sorry aber der gute Don Lincoln gibt doch die Antwort darauf. Die Lichtwelle hat immer die konstante Geschwindigkeit vor dem Medium, im Medium und nach dem Medium. Nur im Medium muß man halt die Lichtwelle mit der Welle addieren die durch die angeregte Teilchen entsteht. Und die Geschwindigkeit der Welle die sich daraus ergibt ist immer kleiner als die Vakuumlichtgeschwindigkeit.

    Aber jetzt habe ich ein Problem mit der Antwort von MartinB. Wo treten dabei Interferenzen auf? Und wenn Interferenzen auftreten wieso haben wir dann als Erbgenis ein Lichtstrahl und nicht Interferenzstreifen?

  29. #29 Peter Anliker
    CH-5024 Küttigen
    22. Mai 2019

    Licht gehört, wie Rundfunkwellen auch, in das Gebiet der elektromagnetischen Wellen. Bei diesem Wellentyp pendelt die sich ausbreitende Energie zwischen einer magnetischen und einer elektrischen Feldkomponente hin und her. Der schottische Physiker James Clerc Maxwell hat in den 1860er Jahren diesen elektrodynamischen Zusammenhang in 4 Feldgleichungen, den sogenannten Maxwell-Gleichungen, beschrieben. Diese Gesetze bilden die theoretische Grundlage in der Optik und Elektrotechnik für die Wellenausbreitung im freien Raum und in Materialien.

    Als Extrakt aus diesen Gleichungen kann eine weitere, für den hier beschriebenen Fall wichtige Gleichung für die Ausbreitungsgeschwindigkeit einer Welle abgeleitet werden. Für Vakuum, also den leeren Raum und auch nahezu für die Erdatmosphäre ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit c0 = 1 / Wurzel (Epsilon_0 * Mü_0). Epsilon_Null und Mü_Null sind bekannte Naturkonstanten, welche die elektrische und magnetische Feldkomponente für den leeren Raum beschreiben. In der beschriebenen Rechnung führen die Konstanten zu einer Lichtgeschwindigkeit c_Null von ca. 300 000 km/s.

    Für andere Medien werden die Konstanten durch material- und frequenzabhängige Korrekturfaktoren Epsilon_relativ und Mü_relativ korrigiert. Die korrigierte Berechnung der Ausbreitungsgeschwindigkeit für Wasser wird dann zu c_wasser = 1 / Wurzel ( Epsilon_0 * Epsilon_wasser * Mü_0 * Mü__wasser). Es ist bekannt, dass Licht in Wasser eine Ausbreitungsgeschwindigkeit ca. 3/4 * c_0 oder etwa 225 000 km/s hat. Wenn man nun davon ausgeht, dass sich Wasser nicht besonders ferromagnetisch verhält und den Korrekturfaktor Mü_wasser bei 1 belässt, dann muss für die elektrische Komponente Epsilon_wasser ein Faktor von 1.8 eingesetzt werden, damit c_wasser = 3/4*c_0 oder eben 225 000 km/s wird.

    Dieser Faktor 1.8 von Epsilon_wasser besagt nun, dass das elektromagnetische Wechselfeld entsprechend länger damit beschäftigt ist, die elektrische Feldkomponente aufzubauen. Die Zeit für die magnetische Komponente jedoch bleibt gleich. Diese elektrische Verzögerung im Feldaufbau führt zu einer langsameren Fortpflanzung von Licht in Wasser. Sobald das Licht wieder aus dem Wasser austritt und in Luft übergeht fällt diese Feldverzögerung weg und das Licht bewegt sich in alter Frische mit Lichtgeschwindigkeit – ohne Energiezufuhr. Weil keine Energie verloren geht, muss auch keine ersetzt werden.

    Da hat uns der Florian mit einer gemeinen Fragestellung auf Glatteis führen wollen – aber wir mögen ihn trotzdem.

  30. #30 rolak
    22. Mai 2019

    pendelt die .. Energie zwischen .. m. und einer e. Feldkomponente hin und her

    Da wir im hier behandelten Falle keinesfalls vom Nahfeld reden, Peter, ist das selbstverständlich falsch. Kannst Du Dir gerne erarbeiten.

  31. #31 Romana
    Genf
    23. Mai 2019

    Da bin ich aber froh, es gibt noch eine Auflösung des Rätsels. Vielen Dank an den Landsmann. Auf Schweizer ist eben doch Verlass. Ich übersetze das mal: mein Mann trainiert gerade für den Ironman (außer Konkurrenz!) – da muss er auch schwimmen. Im Teich ist er natürlich langsamer, als am Boden. Wenn er rauskommt, topft er erstmal wie Kieslaster. Und dann rennt er gewaltig los, aber es dauert, bis er wieder trocken ist und etwa gleich schnell. Das Licht braucht das alles nicht. Elektromagnetismus wurde bei mir in der Schule immer als Zusammenhang dargestellt. Wie kann die elektische Feldkomponente unabhängig von der magnetischen sein?

    Mir dünkt auch, die Frage nach den Interferenzen von Tom oben steht immer noch ungelöst im Raum.

  32. #32 Reinhard Klauser
    Wien
    1. Juni 2019

    Vielen Dank! Eine Frage weniger, auf die ich als Physiklehrer bis jetzt keine befriedigende Antwort parat hatte

  33. #33 Peter Anliker
    Küttigen
    6. Juni 2019

    Besten Dank rolak, selbstverständlich treten im hier diskutierten Fernfeld die magnetische und elektrische Feldkomponente gleichzeitig auf. Nur im Nahfeld ist das nicht so, zum Beispiel direkt an einer Funkantenne. Dort wechseln sich die Felder gegenseitig ab. Ramona, beide Komponenten sind auch in diesem Fall nicht unabhängig, sondern aneinander gekoppelte Felder. Das Eine bewirkt das Andere und umgekehrt.

    Der Übergang vom Nah- zum Fernfeld geschieht im Bereich weniger Wellenlängen. Diese Zonenunterscheidung existiert in der Akustik- (man spricht von Fresnel- und Fraunhofer-Zone), Elektrotechnik und Optik. Die beobachteten Effekte, wie hier diskutiert, spielen sich jedoch in der Regel im Fernfeld ab.

    Hinweise, dass Epsilon_relativ von Wasser im optischen Frequenzbereich etwa 1.8 ist, findet man unter Wikipedia Permitivität. Dort finden sich ebenfalls interessante Hinweise auf eine komplexwertige Komponente von Epsilon_relativ_Wasser im Mikro-, Teraherz- und im (optischen) Petaherzwellen-Bereich.

    Da Epsilon der Proportionalitätsfaktor zwischen der elektrischen Feldstärke E und der elektrischen Erregung D ist, wird das Feld bei gleicher Erregung um Faktor 1.8 schwächer, was letztlich zu der langsameren Ausbreitung in Wasser führt.