Lichtgeschwindigkeit – einfach erklärt
Der Blick in den Sternenhimmel ist immer ein Blick in die Vergangenheit. Dass das so ist, hat mit der Lichtgeschwindigkeit zu tun.
Die Lichtgeschwindigkeit ist die Geschwindigkeit, mit der sich das Licht in einem Medium ausbreitet. Ihr Formelzeichen ist $c$.
Sie hat ihren größtmöglichen Wert im Vakuum und beträgt $c=299\,792\,458\,\frac{\text{m}}{\text{s}}$.
Bei einem Gewitter sieht man zuerst den Blitz und hört dann den Donner. Blitz und Donner entstehen gleichzeitig, denn der Donner ist das Geräusch des Blitzes. Dass man den Donner später hört, als man den Blitz sieht, liegt daran, dass sich der Schall des Donners viel langsamer ausbreitet als das Licht des Blitzes. Denn die Schallgeschwindigkeit ist viel kleiner als die Lichtgeschwindigkeit. Die Lichtgeschwindigkeit ist die Geschwindigkeit, mit der sich das Licht in der Luft oder im Vakuum ausbreitet.
Wusstest du schon?
Licht von der Sonne braucht ungefähr $8$ Minuten und $20$ Sekunden, um die Erde zu erreichen. Das bedeutet, dass du, wenn du jetzt zur Sonne blickst (bitte nicht direkt!), eigentlich in die Vergangenheit schaust und sie so siehst, wie sie vor über $8$ Minuten war. Faszinierend, oder?
Wie schnell ist die Lichtgeschwindigkeit?
Mit modernen Methoden kann man die Lichtgeschwindigkeit sehr genau messen. Die Lichtgeschwindigkeit ist abhängig von dem Medium, in dem sich das Licht bewegt. Die Lichtgeschwindigkeit in Luft ist ungefähr das Gleiche wie im Vakuum. Sie beträgt etwa $300\,000\,\frac{\text{km}}{\text{s}}$.
Die Lichtgeschwindigkeit in Wasser ist kleiner als im Vakuum, sie beträgt nur etwa $225\,000\,\frac{\text{km}}{\text{s}}$.
In der folgenden Tabelle siehst du, wie viel schneller das Licht ist als viele andere Dinge, die du kennst.
| Objekt |
Geschwindigkeit in $\frac{\text{m}}{\text{s}}$ (gerundet) |
| Mensch im Vollsprint |
$10$ |
| Fußball (Rekord) |
$58$ |
| Formel-1-Wagen (Rekord) |
$103$ |
| Schall (in Luft) |
$340$ |
| Flugzeug (Weltrekord Kurzstrecke) |
$980$ |
| Licht (im Vakuum) |
$300\,000\,000$ |
Lichtgeschwindigkeit $c$ im Vakuum
Die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum ist eine Naturkonstante. Sie ist die größtmögliche Geschwindigkeit. In der Physik gilt: Nichts ist schneller als Licht. Es gibt keine andere physikalische Antwort auf die Frage Was ist schneller als Licht?
Eine Überlichtgeschwindigkeit gibt es in der Physik nicht, sondern nur in der Science-Fiction.
Von einem weit entfernten Stern kann das Licht bis zur Erde Tausende oder sogar Millionen von Jahren unterwegs sein. Was wir am Nachthimmel sehen, ist also das Licht, das in der Vergangenheit von den Sternen ausging. Manche Sterne sind so weit von der Erde entfernt, dass das Licht mehrere Millionen Jahre von dem Stern bis zur Erde braucht. Wenn das Licht dieser Sterne auf der Erde ankommt, sind diese Sterne selbst wahrscheinlich bereits erloschen. Wir sehen also nur, wie sie in der Vergangenheit vor Tausenden oder Millionen Jahren weit entfernt geleuchtet haben. Solche Sterne kann man aber nur mit starken Teleskopen erkennen.
Kontrovers diskutiert:
Expertinnen und Experten streiten darüber, ob die Lichtgeschwindigkeit wirklich die absolute Grenze im Universum darstellt. Manche Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler meinen, dass es Phänomene wie Wurmlöcher oder spezielle Partikel gibt, die schneller als Licht reisen könnten. Andere argumentieren, dass die Relativitätstheorie derartige Möglichkeiten ausschließt. Was denkst du?
Wenn das Licht nun aber nicht durchs Vakuum des Weltalls reist, sondern durch ein anderes durchsichtiges Medium wie Luft, Glas, Wasser oder Ähnliches, bewegt es sich, wie alle elektromagnetischen Wellen, langsamer als mit Vakuumlichtgeschwindigkeit.
Der Brechungsindex $n$ ist das Verhältnis aus der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum $c_\text{Vakuum}$ und der Lichtgeschwindigkeit im Medium $c_\text{Medium}$.
$n_\text{Medium}=\dfrac{c_\text{Vakuum}}{c_\text{Medium}}$
Lichtgeschwindigkeit in Wasser
Der Brechungsindex von Wasser ist etwa $n_\text{Wasser}=1{,}333$.
Damit können wir die Lichtgeschwindigkeit in Wasser ausrechnen.
$n_\text{Medium}=\dfrac{c_\text{Vakuum}}{c_\text{Medium}}~~\big\vert \cdot \dfrac{c_\text{Medium}}{n_\text{Medium}}$
$c_\text{Medium}=\dfrac{c_\text{Vakuum}}{n_\text{Medium}}$
$c_\text{Wasser}=\dfrac{299\,792\,458\,\frac{\text{m}}{\text{s}}}{1{,}333}$
$c_\text{Wasser}=224\,900\,569\,\frac{\text{m}}{\text{s}}$
Lichtgeschwindigkeit in Luft
Der Brechungsindex für Luft ist bei sichtbarem Licht unter Normalbedingungen $n_\text{Luft}=1{,}0003.$
Wie oben können wir also die Lichtgeschwindigkeit ausrechnen:
$c_\text{Luft}=\dfrac{299\,792\,458\,\frac{\text{m}}{\text{s}}}{1{,}0003}$
$c_\text{Luft}=299\,702\,547\,\frac{\text{m}}{\text{s}}$
Lichtgeschwindigkeit in Glas
Der Brechungsindex variiert für verschiedene Sorten Glas. Ein guter Mittelwert ist $n_\text{Glas}=1{,}5$.
Dann gilt also:
$c_\text{Glas}=\dfrac{299\,792\,458\,\frac{\text{m}}{\text{s}}}{1{,}5}$
$c_\text{Glas}=199\,861\,639\,\frac{\text{m}}{\text{s}}$
Du siehst also, der Betrag der Lichtgeschwindigkeit ist in einem Medium stets geringer als im Vakuum. Die Lichtgeschwindigkeit in Luft ist dabei beinahe genauso groß wie im Vakuum.
Kommunikation im Weltraum
Kein Signal bewegt sich schneller als Licht. Daher kann man im Weltraum nicht gut zwischen entfernten Planeten telefonieren. Ein Signal braucht vom Mars zur Erde und zurück mindestens $6$ Minuten. So lange müsste ein Anrufer vom Mars mindestens auf eine Antwort von der Erde warten.
Wann erreicht ein Lichtsignal von der Erde die folgenden Himmelskörper (und umgekehrt)? Der folgende tabellarische Steckbrief zeigt eine Übersicht dieser Lichtlaufzeiten
| Himmelskörper |
Lichtlaufzeit |
| Mond |
etwas mehr als eine Sekunde |
| Sonne |
etwa $8$ Minuten |
| Mars |
zwischen $3$ und $22$ Minuten |
| nächster Stern Proxima Centauri |
etwa $4{,}24$ Jahre |
| Zentrum der Milchstraße |
etwa $26\,000$ Jahre |
| Galaxie M81 |
etwa $12$ Millionen Jahre |
Kennst du das?
Hast du auch schon einmal einen Film online gestreamt oder einen Videoanruf geführt? Diese Technologien sind nur möglich, weil Lichtsignale durch Glasfaserkabel gesendet werden, um Daten blitzschnell zu übertragen. In den Glasfasern wird die Lichtgeschwindigkeit genutzt, um Informationen nahezu sofort von einem Punkt zum anderen zu bringen, auch wenn sie über Kontinente hinweg gesendet werden. So kannst du mit Menschen weltweit praktisch in Echtzeit kommunizieren!
Lichtgeschwindigkeit messen
Um die Lichtgeschwindigkeit in Kilometer pro Sekunde zu messen, erfand Hippolyte Fizeau im Jahr 1848 ein Experiment bestehend aus einer Lichtquelle, einem halb durchlässigen Spiegel, einem rotierenden Zahnrad und einem entfernten Spiegel. Trifft ein Lichtstrahl beim Rückweg von dem entfernten Spiegel nicht auf eine Lücke im Zahnrad, sondern auf einen Zahn, ist der reflektierte Lichtstrahl nicht zu sehen. Indem er die Rotationsgeschwindigkeit des Zahnrads auf genau diese Bedingung einstellte, gelang es Fizeau, die Lichtgeschwindigkeit zu messen bzw. mithilfe der Geschwindigkeit des Zahnrads zu berechnen. Der Aufbau des Experiments ist in der folgenden Abbildung vereinfacht dargestellt.
Die Lichtgeschwindigkeit in Fizeaus Messung ergibt sich aus dem Verhältnis der Weglänge zur Laufzeit des Lichtstrahls:
$\text{Lichtgeschwindigkeit} = \dfrac{\text{Weglänge}}{\text{Laufzeit}}$
Der gemessene Wert für die Lichtgeschwindigkeit $c$ ist:
$c \approx 300\,000\,\frac{\text{km}}{\text{s}}$
In einer Sekunde könnte das Licht demzufolge mehr als siebenmal um die Erde kreisen. Die Lichtgeschwindigkeit kann man auch mit einem Spiegel auf dem Mond messen. Das Licht braucht von der Erde bis zum Mond und zurück fast drei Sekunden. Bei der Apollo-11-Mission wurde ein Spiegel auf dem Mond platziert, um Fizeaus Experiment zu wiederholen. Das Ziel war hierbei aber nicht die Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit, sondern gemessen hat man mit diesem Experiment den Abstand von Erde und Mond.
Lichtgeschwindigkeit berechnen
Die Lichtgeschwindigkeit lässt sich, neben der rechnerischen Auswertung von Laufzeitexperimenten wie dem Experiment von Herrn Fizeau, auch noch auf andere Weise berechnen.
Denn für die Vakuumlichtgeschwindigkeit gilt die grundlegende Aussage aus der Theorie der elektromagnetischen Wellen über den Zusammenhang zwischen Vakuumlichtgeschwindigkeit $c$, absoluter Dielektrizitätskonstante $\varepsilon_0$ (auch: elektrische Feldkonstante) und absoluter Permeabilitätskonstante $\mu_0$ (auch: magnetische Feldkonstante):
$c=\dfrac{1}{\sqrt{\varepsilon_0 \cdot \mu_0}}$
Innerhalb eines Mediums müssen zudem die relative Dielektrizitätskonstante $\varepsilon_\text{r}$ und die relative Permeabilitätskonstante $\mu_\text{r}$ berücksichtigt werden:
$c=\dfrac{1}{\sqrt{\varepsilon_0 \cdot \varepsilon_\text{r} \cdot \mu_0 \cdot \mu_\text{r}}}$
Da Licht eine elektromagnetische Welle ist, gilt außerdem der Zusammenhang zwischen Ausbreitungsgeschwindigkeit, d. h. der Lichtgeschwindigkeit $c$, Frequenz $f$ und Wellenlänge $\lambda$ des Lichts:
$c=\lambda \cdot f$
Die Lichtgeschwindigkeit hängt also einerseits direkt mit zwei anderen Naturkonstanten zusammen ($\varepsilon_0$ und $\mu_0$), andererseits ergibt sie sich aus der Wellenlänge und der Frequenz des Lichts, die beide gemessen werden können.
Aufgaben zur Lichtgeschwindigkeit
Zum Planeten Jupiter benötigt das Licht der Sonne etwa $43{,}3$ Minuten. Wie weit ist der Planet demnach im Mittel von der Sonne entfernt?
Wir verwenden den gerundeten Wert der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum von $c=300\,000\,\frac{\text{km}}{\text{s}}$.
Dies entspricht $300\,000\,000\,\frac{\text{m}}{\text{s}}=3 \cdot 10^{8}\,\frac{\text{m}}{\text{s}}$.
Da das Licht eine konstante Geschwindigkeit hat, können wir die Formel $v=\frac{s}{t}$ verwenden, diese nach $s$ umstellen und für $v$ die Lichtgeschwindigkeit $c$ in die Formel einsetzen.
$s=v \cdot t = c \cdot t$
Nun rechnen wir noch die gegebene Zeit in Minuten um und setzen ein.
$t=43{,}3~\text{min}=43{,}3 \cdot 60~\text{s}=2\,598~\text{s}$
Die gesuchte Strecke ist damit:
$s=3 \cdot 10^{8}\,\frac{\text{m}}{\text{s}} \cdot 2\,598~\text{s} \approx 780\,\text{Millionen~km}$
Um welche Strecke handelt es sich bei einem Lichtjahr, also die Strecke, die das Licht im Vakuum in einem Erdjahr zurücklegt?
Wir verwenden einen möglichst genauen Wert für $c$, nämlich $c=299\,792\,458\,\frac{\text{m}}{\text{s}}$.
Ein Jahr sind genau $365{,}25~\text{Tage}$.
Die gegebene Zeit ist also $t=1~\text{a}=365{,}25~\text{d}=365{,}25 \cdot 86\,400~\text{s}=31\,557\,600~\text{s}$.
Dann ist die in dieser Zeit zurückgelegte Strecke:
$s=c \cdot t= 299\,792\,458\,\frac{\text{m}}{\text{s}} \cdot 31\,557\,600~\text{s} \approx 9{,}46 \cdot 10^{15}~\text{m}$
Welche Wellenlänge $\lambda$ hat Licht der Frequenz $f=5\cdot10^{14}~\text{Hz}$ im Vakuum und im Wasser?
Für die Wellenlänge $\lambda$ gilt: $\lambda=\dfrac{c}{f}$
Die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum beträgt etwa $c=3\cdot 10^{8}\,\frac{\text{m}}{\text{s}}$,
in Wasser gilt etwa $c=2{,}25\cdot 10^{8}\,\frac{\text{m}}{\text{s}}$.
Also ist die Wellenlänge im Vakuum:
$\lambda=\dfrac{c}{f}=\dfrac{3\cdot 10^{8}\,\frac{\text{m}}{\text{s}}}{5\cdot10^{14}~\text{Hz}}=6\cdot10^{-7}~\text{m}=600~\text{nm}$
In Wasser gilt dann:
$\lambda=\dfrac{c}{f}=\dfrac{2{,}25\cdot 10^{8}\,\frac{\text{m}}{\text{s}}}{5\cdot10^{14}~\text{Hz}}=4{,}5\cdot10^{-7}~\text{m}=450~\text{nm}$
Ausblick – das lernst du nach Lichtgeschwindigkeit
Tauche tiefer ein in das Universum und seine Geheimnisse! Das Wissen über die Grundprinzipien der speziellen Relativitätstheorie und der allgemeinen Relativitätstheorie leiten die nächste Stufe deiner Entdeckungsreise ein. Sei bereit, die Welt des Unvorstellbaren zu erforschen!
Zusammenfassung zur Lichtgeschwindigkeit
- Die Lichtgeschwindigkeit ist die Geschwindigkeit, mit der sich Licht im Raum ausbreitet. Licht ist eine elektromagnetische Welle.
- Die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum ist eine Naturkonstante. Sie hat stets den gleichen Wert $c=299\,792\,458\,\frac{\text{m}}{\text{s}}$.
- Tritt Licht durch ein Medium hindurch, verringert sich seine Ausbreitungsgeschwindigkeit. Demnach unterscheidet man verschiedene Lichtgeschwindigkeiten in unterschiedlichen Medien.
- Ein Lichtjahr bezeichnet die Entfernung, die Licht im Vakuum in der Zeitspanne eines Jahres zurücklegen kann.
Häufig gestellte Fragen zum Thema Lichtgeschwindigkeit
Warum ist Lichtgeschwindigkeit konstant?
Es ist richtig, dass die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum konstant ist. Sie lässt sich aus zwei Naturkonstanten bestimmen und ist auch selbst eine Naturkonstante. In anderen Medien ist die Aussage gar nicht ohne Weiteres richtig. Zum einen ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichts in verschiedenen Medien unterschiedlich groß, zum anderen ist die Lichtgeschwindigkeit von der Frequenz des Lichts bzw. der elektromagnetischen Welle abhängig.
Warum kann man Lichtgeschwindigkeit nicht erreichen?
Nach der speziellen Relativitätstheorie von Albert Einstein nimmt die Masse eines Teilchens (mit Ruhemasse ungleich null) abhängig von der Geschwindigkeit zu.
Es gilt dabei für die bewegte Masse $m$:
$m=\dfrac{m_{0}}{\sqrt{1-\frac{v^{2}}{c^{2}}}}$
Dabei ist $m_0$ die Ruhemasse des Teilchens und $v$ seine Geschwindigkeit.
Die bewegte Masse würde demnach unendlich groß werden, wenn das Teilchen Lichtgeschwindigkeit erreichen würde. Daher ist es für Teilchen, die eine Ruhemasse ungleich null haben, unmöglich, sich mit Lichtgeschwindigkeit zu bewegen.
Warum steht $c$ für Lichtgeschwindigkeit?
Der Buchstabe $c$ wurde als Abkürzung für das lateinische Wort celeritas gewählt, das übersetzt Schnelligkeit heißt. Sicher kennst du das übliche Formelzeichen für Geschwindigkeit, den Buchstaben $v$. Dieser kommt von einem anderen Wort aus dem Lateinischen für Schnelligkeit (oder Geschwindigkeit): velocitas.
Hat Licht eine Geschwindigkeit?
Obwohl aufgrund der ungeheuer schnellen Ausbreitung des Lichts Menschen lange glaubten, Licht breite sich ohne Zeitverzögerung aus, konnte schließlich doch nachgewiesen werden, dass Licht eine endliche Geschwindigkeit hat: die Lichtgeschwindigkeit.
Ist Lichtgeschwindigkeit wirklich konstant?
Ja, die Geschwindigkeit des Lichts im Vakuum hat immer den gleichen Wert: $c=299\,792\,458\,\frac{\text{m}}{\text{s}}$. Allerdings tritt Licht mit geringeren Geschwindigkeiten durch verschiedene Medien hindurch. Demnach werden für verschiedene Medien unterschiedlich große Lichtgeschwindigkeiten, genauer gesagt Ausbreitungsgeschwindigkeiten, angegeben.
Ist es möglich, mit Lichtgeschwindigkeit zu reisen?
Nur für Licht. Für jeden anderen Körper ist es unmöglich, mit Lichtgeschwindigkeit zu reisen. Man hätte auch nicht so wahnsinnig viel davon, da für einen keine Zeit vergehen würde – was ja doch irgendwie zum Reisen dazugehört.
Wie viel Prozent der Lichtgeschwindigkeit können wir erreichen?
Mit genügend hoher Energie können wir theoretisch einen nahezu beliebigen Prozentsatz der Lichtgeschwindigkeit erreichen (allerdings niemals $100\,\%$). In der Realität betrug die größte bisher erreichte Geschwindigkeit eines Flugkörpers, nämlich die der Sonde Parker Solar Probe, ca. $0{,}7\,\%$ der Lichtgeschwindigkeit.
Kann man Licht langsamer machen?
Man kann Licht nicht abbremsen. Licht wird zwar beim Übergang vom Vakuum in ein anderes Medium langsamer, aber das liegt daran, dass das Licht zwischen den Teilchen des Mediums gestreut wird und sich dadurch die Länge des zurückgelegten Wegs vergrößert.
Wie breitet sich Licht im Vakuum aus?
Licht ist eine elektromagnetische Welle und benötigt, anders zum Beispiel als Schall, kein Medium, um sich auszubreiten. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Lichtwelle entspricht der Lichtgeschwindigkeit. Dabei stehen elektrische Feldstärke und magnetische Flussdichte senkrecht zueinander.
Wie lange braucht Licht für ein Lichtjahr?
Aufgrund der Definition des Lichtjahrs benötigt das Licht genau ein Jahr, um die Strecke ein Lichtjahr zurückzulegen. Natürlich ist damit ein Erdjahr gemeint, also rund $31\,536\,000$ Sekunden.
Kann man Licht beschleunigen?
Licht kann, anders als geladene Teilchen, nicht durch elektrische Felder beschleunigt werden. Die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum ist unveränderlich. Dennoch ändert das Licht beim Übergang von einem Medium zu einem anderen Medium seine Geschwindigkeit. Die gemessene Geschwindigkeit des Lichts würde sich also beispielsweise beim Übergang von Wasser zu Luft erhöhen. Dies stellt allerdings keine Beschleunigung dar, sondern eine Verkürzung des Wegs, denn in Wasser muss das Licht aufgrund von Lichtstreuung einen längeren Weg zurücklegen als in Luft.
Wie schnell vergeht Zeit bei Lichtgeschwindigkeit?
Zunächst muss festgestellt werden, dass kein Körper mit einer von null verschiedenen Ruhemasse Lichtgeschwindigkeit erreichen kann. Nur Licht kann dies. Für die Energieportionen, aus denen Licht im Teilchenmodell besteht, die sogenannten Photonen, vergeht gar keine Zeit. Sie sind sozusagen zeitlos. Dass sie sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegen, ist nur möglich, weil sie keine Ruhemasse haben. In dieser Vorstellung würde für einen bewegten Körper, der sich der Lichtgeschwindigkeit immer weiter annähert, die Zeit relativ zu einem äußeren Beobachter immer langsamer vergehen.
Warum vergeht die Zeit bei Lichtgeschwindigkeit langsamer?
Dies ist eine Folge der speziellen Relativitätstheorie Albert Einsteins. Ihr Grundprinzip ist, dass die Lichtgeschwindigkeit in allen Inertialsystemen gleich ist. Dies bedeutet zum Beispiel, dass sich auch das Licht einer Taschenlampe, die sich ihrerseits mit halber Lichtgeschwindigkeit bewegt, aus der Sicht jedes Beobachters nur mit Lichtgeschwindigkeit bewegt. Damit dies möglich ist, müssen Längen und Zeiten dafür vom Beobachter abhängig sein. Das führt dazu, dass aus der Sicht des Beobachters die Zeit für andere Körper, die sich schneller bewegen, langsamer vergeht. Aus der Sicht der sich schnell bewegenden Körper vergeht die Zeit jedoch genauso schnell, also ob sie sich nicht bewegen würden. Die Zeit ist in diesem Sinne relativ – abhängig vom Beobachter.
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