Hallo,
als interessierter Laie kam mir neulich folgende Frage: Wenn ich beispielsweise eine Taschenlampe anschalte und Licht „entsteht“, beschleunigt es dann bis zur Lichtgeschwindigkeit oder ist diese absolut und immer konstant?
Wenn letzteres der Fall sein sollte, kann mir jemand erklären, wie das möglich ist?
Und wenn wir schon dabei sind: Warum addiert sich zur Lichtgeschwindigkeit nicht die der Quelle (also z.B. des Autos)?
Besten Dank
Hansi
Hi,
interessante Frage. Handelsübliches Licht entsteht in Atomen durch Übergang eines Elektrons von einem Energieniveau auf ein anderes. Die Zeit für diesen Übergang müsste sich durch die Unschärferelation delta(E)*delta(t)>=h/2pi ergeben. Diese Zeit könnte man in gewisser Hinsicht als Beschleunigungsphase bezeichnen. Viel Sinn macht das aber eigentlich nicht weil man hier nichts beobachten kann. Vorher war kein Licht. Danach ist Licht, dazwischen nichts.
Die Frage warum sich Lichtgeschwindigkeit nicht einfach additiv verhält ist genauso wie die Frage warum ein Apfel auf den Boden fällt. Es ist eben so.
Mmax
[Bei dieser Antwort wurde das Vollzitat nachträglich automatisiert entfernt]
Wenn ich beispielsweise
eine Taschenlampe anschalte und Licht
„entsteht“, beschleunigt es dann bis zur
Lichtgeschwindigkeit oder ist diese
absolut und immer konstant?
Die Erfahrung zeigt, dass das Licht sich
immer mit der selben Geschwindigkeit aus-
breitet. Es beschleunigt nicht, es existiert
nur mit dieser Geschwindigkeit.
Wenn letzteres der Fall sein sollte, kann
mir jemand erklären, wie das möglich ist?
Das ist mehr eine philosophische Frage
als eine physikalische. Vielleicht dazu
einen kleinen Streifzug durch die
Geschichte: Die Konstanz der
Lichtgeschwindigkeit wurde vor Einstein
durch Messungen nachgewiesen (Michelson-
Experiment). Das Ergebnis dieser Messungen
wurde mit Verwunderung aufgenommen, und
sogleich machten sich viele daran, eine
Erklaerung dafuer zu finden. Man ging davon
aus, dass sich Licht in einem Medium aus-
breiten muesse, genau wie die Luft das
Medium fuer die Ausbreitung von Schall-
wellen ist. Man nannte dieses Medium Aether
und wollte dessen Existenz mit dem
Michelson-Experiment eigentlich nachweisen.
Nun, wie das Schicksal so spielte, trat das
genaue Gegenteil von dem ein, was man
erwartet hatte. Die langen Gesichter der
Wissenschaftler und ihre Ueberlegungen
fuehrten zu Ideen wie z.B. der: Die Bewegung
der Erde im Aether verursachte dessen
Stauchung in Bewegungsrichtung. Durch die Stauchung des Aethers aendert sind die
Lichtgeschwindigkeit gerade so, dass die
Lichtgeschwindigkeit plus der
Erdgeschwindigkeit wieder genau der
eigenlichen Lichtgeschwindigkeit (im nicht
gestauchten Aether) entspricht. Welch ein
Zufall! All die Erklaerungsversuche, die zum
Teil in wuesten Rechnereien endeten, hatten
alle eins gemeinsam: Sie erklaerten
vielleicht den deprimierenden Ausgang des
Michelson-Experiments, eckten aber an
anderen Stellen auf beschaemende Weise an.
Dieses ganze Desaster kam nur aus einem
einzigen Grund zustande, man war nicht bereit, die klassischen Vorstellungen von
der Absolutheit von Raum und Zeit
aufzugeben.
So, nun kam Einstein, dessen Idee so genial
wie einfach war. Er kuemmerte sich NICHT
darum, das Experiment-Ergebnis zu erklaeren,
nein, er erhob dieses Ergebnis - die
Konstanz der Lichtgeschwindigkeit - in die
Raenge der „Gottheiten“ der Physik. Er
machte ein Postulat daraus, ein Gesetz, das
keiner Erklaerung bedarf, ein Gesetz, auf
dem die gesamte Relativitaetstheorie beruht.
Das heisst, sollte es eines Tages einem
Wissenschaftler gelingen zu beweisen, dass
die Lichtgeschwindigkeit nicht konstant ist,
dass sie sich addiert oder was auch sonst,
dann sirbt die gesamte Relativitaetstheorie!
Ich denke, durch diesen kleinen Ausflug zu
den Anfaegen des 20. Jahrhunderts, solltest
Du verstehen, welchen Rang die Konstanz der
Lichtgeschwindigkeit hat.
Und wenn wir schon dabei sind: Warum
addiert sich zur Lichtgeschwindigkeit
nicht die der Quelle (also z.B. des
Autos)?
siehe oben.
Vielleicht noch eine Bemerkung:
Licht kann als Welle aber auch als Partikel
aufgefasst werden. Welche Eingenschaften es
gerade zeigt (ob Wellen- oder Partikeleigen-
schaften) haengt einzig und allein davon
ab, was Du mit Deinen Experiment eigentlich
nachweisen willst. Bei Partikeln ist es
schwierig, sich vorzustellen, dass sie
gleich die volle Geschwindigkeit haben,
aber eine Welle hat sofort ihre volle
Geschwindigkeit. Man werfe einen Stein in
einen ruhigen See. Die Wellen, die sich
daraufhin ausbreiten, beschleunigen ja auch
nicht.
Noch eine Bemerkung:
Nach der speziellen Relativitaetstheorie
koennten Massen durch Beschleunigung niemals
die Lichtgeschwindigkeit erreichen, da ihre
Masse ins Unendliche waechst, ebenso der
Widerstand (die Traegheit). Insofern kann
man Teilchen in drei verschiedene Klassen
einordnen: Die ersten haben „gewoehnliche“
Massen und erreichen nie
Lichtgeschwindigkeit. Die zweiten fliegen
immer mit Lichtgeschwindigkeit und
existieren nur auf diese Weise.
Die dritten (Tachyonen) sind stehts schneller als das Licht und wechselwirken
mit Nichts, was langsamer als das Licht ist.
Und noch eine Bemerkung:
In der vierdimensionalen Raum-Zeit hat alles
und wirklich alles ein und dieselbe
Geschwindigkeit, naemlich
Lichtgeschwindigkeit. Jenachdem, wie gross
der reumliche Anteil dieser Geschwindigkeit
ist, so hoch ist die fuer uns die
beobachtbare Geschwindigkeit. „Normale“
Koerper, fuer uns in Ruhe, haben keine
raeumliche Komponente ihrer Geschwindigkeit,
nur eine zeitliche. Damit ist ganz einfach
der Lauf der Zeit gemeint. Koerper in Ruhe
bewegen sich also mit Lichtgeschwindigkeit
durch die Zeitdimension.
MEB
Und noch eine Bemerkung:
In der vierdimensionalen Raum-Zeit hat
alles
und wirklich alles ein und dieselbe
Geschwindigkeit, naemlich
Lichtgeschwindigkeit. Jenachdem, wie
gross
der reumliche Anteil dieser
Geschwindigkeit
ist, so hoch ist die fuer uns die
beobachtbare Geschwindigkeit. „Normale“
Koerper, fuer uns in Ruhe, haben keine
raeumliche Komponente ihrer
Geschwindigkeit,
nur eine zeitliche. Damit ist ganz
einfach
der Lauf der Zeit gemeint. Koerper in
Ruhe
bewegen sich also mit
Lichtgeschwindigkeit
durch die Zeitdimension.
Kannst du das konkretisieren?
Gruss Semjon.
Kannst du das konkretisieren?
Kanns probieren, doch dazu ist etwas
Mathe erforderlich.
Zuerst die vier Dimensionen, die durch
die Koordinaten
x0 = c*t
x1 = x
x2 = y
x3 = z
beschrieben werden.
x, y und z sind Laenge, Breite, Hoehe,
die drei Raumdimensionen, c*t die mit der
Lichtgeschwindigkeit c skalierte Zeit t
(die Einheit von c*t ist wieder ein
Laengenmasz). Diese vierdimensionale
Darstellung mit c*t als eine Dimension
deutet schon auf die Schluesselrolle von
c hin.
Nun werden Ereignisse beschrieben, also
irgendetwas passiert an einem bestimmten
„Ort“ im Raum-Zeit Kontinuum mit den oben
genannten Koordinaten.
Als naechstes muss man sich klarmachen,
dass die Ableitung der Ortskoordinaten nach
der Zeit t (um eine Geschwindigkeit zu
definieren) sinnlos geworden ist, da der
Zeitablauf vom Bewegungszustand Beobacher-
System abhaengig ist (Zeitdilatation). Mehr
noch, die Definition von Gleichzeitigkeit
ist hinfaellig, ohne oben besagten
Bewegungszustand zu beruecksichtigen.
Abhilfe schafft die Definition der
sogenannten _Eigenzeit_, der Zeit die ein
Beobachter, der relativ zum beobachteten
System in Ruhe ist, misst. Die Ableitung
der vierdimensionalen Ortsvektors
R=(c*t,x,y,z) nach der Eigenzeit und
eine anschliessende Bestimmung der Laenge
dieses Vektors (Betrag der Geschwindigkeit
im vierdim. Raum-Zeit Kontinuum) ergibt
exakt und immer die Konstante c.
Aus der Vierergeschwindigkeit laesst sich
die fuer den Alltag gewohnte
Dreiergeschwindigkeit extrahieren (also
die uebliche Ableitung dr/dt, r=(x,y,z)).
Dies ist der raeumliche Anteil, der Rest
der zeitliche.
Noch ein Hinweis:
(nun sehr mathematisch)
Je hoeher die raeumliche
Geschwindigkeit v, umso staerker die
Zeitdilatation, umso staerker die Laengen-
kontraktion. Die Dehnung der Zeit und die
Stauchung der Laengen geschehen um den
selben Faktor. Hierin spiegelt sich der
Sachverhalt auch wider, dass der Betrag der
Vierergeschwindigkeit immer konstant ist.
Vielleicht kommt man nun auf die Idee, dass
darin ein uebler Widerspruch liegt und zwar
folgender:
Die Geschwindigkeit ist ein Verhaeltnis aus
Laengen- zu Zeitaenderung. Wie kann dann die
Geschwindigkeit konstant bleiben, wenn die
Laengen gestaucht und die Zeit gedehnt wird?
Erstens, obige Betrachtung unterscheidet
nicht exakt zwischen Vierer- und Dreier-
Geschwindigkeit.
Zweitens, die Wahl eines vierdimensionalen
Raum-Zeit Kontinuums als „Schauplatz“ aller
relativistischer Physik hat nichts mehr mit
der gewohnten Euklidischen Geometrie zu tun.
D.h. Laengen im Vierdimensionalen Kontinuum
werden nicht durch sqrt(x0^2+x1^2+x2^2+x3^2)
beschrieben, sondern durch
sqrt(-x0^2+x1^2+x2^2+x3^2).
Konstante Abstaende werden also nicht durch
Kugeloberflaechen, sondern durch
Hyperboliden beschrieben.
Auf
http://www.pt.tu-clausthal.de/~aswl/scripts/rel.html
gibt es genaueres zur
Speziellen Relativitaetstheorie.
MEB
P.S. Dummerweise kann man hier nicht
zeichnen, denn Bilder sagen oft mehr als
1000 Worte 
Vielen Dank fuer die ausfuehrliche Erklaerung, aber der untere Abschnitt haette mir schon genuegt 
))
Semjon.
Die Ableitung
der vierdimensionalen Ortsvektors
R=(c*t,x,y,z) nach der Eigenzeit und
eine anschliessende Bestimmung der Laenge
dieses Vektors (Betrag der
Geschwindigkeit
im vierdim. Raum-Zeit Kontinuum) ergibt
exakt und immer die Konstante c
Hallo,
da das Photon (Lichtteilchen) keine Ruhemasse hat, braucht es keine Beschleunigungsphase. Es existiert nur mit Lichtgeschwindigkeit. Es hat zwar bei Lichtgeschwindigkeit eine von seiner Energie abhängige Masse (m=E/c^2), aber nicht wie andere Teilchen eine Ruhemasse, die beschleunigt werden müßte.
[Bei dieser Antwort wurde das Vollzitat nachträglich automatisiert entfernt]