Die Lichtgeschwindigkeit

Die Lichtgeschwindigkeit

genaue Lichtgeschwindigkeit (im Vakuum): c=299.792,458 km/s

ein Lichtjahr: ~9.461.000.000.000 km

Lichtjahr ist die Entfernung, die das Licht in einem Jahr zurücklegt)

die Sonne ist 8,3 Lichtminuten entfernt (das Licht benötigt 8,3 Minuten um die Entfernung Sonne - Erde zurücklegen zu können)

der Mond ist 1,3 Lichtsekunden von der Erde entfernt (das Licht benötigt 1,3 Sekunden um die Entfernung Erde - Mond zurücklegen zu können)

im Wasser ist die Lichtgeschwindigkeit um etwa 25% geringer

in Glas ist die Lichtgeschwindigkeit um etwa 35% geringer

Lichtgeschwindigkeit c_m in verschiedenen Stoffen

Das Verhältniss c₀/ c_m bezeichnet man als Brechungsindex n

Quellen: 1) Physikbücher 1 - 3

2) www.physikon.com

3) www.bertelsman.de

4) Encarta Enzyklopädie

5) Brockhaus

Das Licht

Was ist Licht? Diese einfache Frage beschäftigt die Menschen seit Jahrhunderten. Man kann es mit den Händen nicht fassen. Wie könnte man es mit einem 'fassbaren' Phänomen des alltäglichen Lebens verknüpfen? Philosophen und Naturwissenschaftler von der Antike bis ins 20. Jahrhundert versuchten Modelle zu finden, mit denen sie hofften die Erscheinungen des Lichts zu erklären. Die Vorstellung über die Natur des Lichts hat sich dabei im Laufe der Geschichte immer wieder geändert.

Spektralfarben

Naturphänomene, wie zum Beispiel ein Regenbogen, haben die Menschen schon seit langer Zeit fasziniert und sie veranlasst, über die Natur des Lichts nachzudenken. Schon früh erkannte man, dass auch aus einem mit Sonnenlicht beschienenen Glasprisma ein regenbogenähnlich gefärbtes Lichtband austritt ('Spektrum' = Erscheinung). Die Farben kommen dabei immer in der gleichen Reihenfolge vor, von Rot über Gelb und Grün bis hin zum Violett. Der berühmte englische Physiker ISAAC NEWTON (1643-1727) führte eine Reihe von Versuchen mit Glasprismen durch. Dabei kam er zu folgendem Ergebnis: Weißes Licht ist eine Mischung aus vielen farbigen Lichtsorten. Diese Spektralfarben sind unzerlegbar. Weil die Spektralfarben verschieden stark gebrochen werden, kann man Sonnenlicht mit einem Glasprisma auffächern. Es entsteht so ein Spektrum mit den Hauptfarben Rot, Orange, Gelb, Grün, Blau und Violett. Rot wird am schwächsten gebrochen, Violett am stärksten. Der Regenbogen und die farbigen Wolken kommen auf die gleiche Art und Weise zustande: In Wassertropfen oder Eiskristallen werden die Spektralfarben unterschiedlich stark gebrochen. Seit 150 Jahren wissen wir, dass auch noch andere Arten von Licht von der Sonne ausgestrahlt werden. Heutzutage ist viel von den ultravioletten (UV) Strahlen die Rede. Sie sind dafür verantwortlich, dass unsere Haut braun wird, aber im Übermaß unter Sonnenbrand leidet. Auch diese UV Strahlen sind ein Teil des Sonnenlichts. Wir können sie jedoch nicht sehen, ebensowenig wie das Infrarotlicht.

Welle oder Teilchen?

Ist Licht als Welle zu beschreiben, oder soll man es sich eher als Teilchenhagel vorstellen? Diese Frage wurde jahrhundertelang diskutiert. Lange Zeit stellte man sich vor, Licht bestehe aus kleinen, unwägbaren Teilchen, die mit großer Geschwindigkeit geradeaus fliegen. Viele Beobachtungen konnten mit dieser Vorstellung erklärt werden. Mit der Zeit jedoch häuften sich die Experimente, die damit nicht verstanden werden konnten. Deshalb setzte sich die Vorstellung durch, dass Licht eine Welle sei. Gegen Ende des 19. Jahrhunderts wurde jedoch deutlich, dass die Wellentheorie des Lichts nicht alles erklärt. Insbesondere weist die Wechselwirkung von Licht mit Materie darauf hin, dass sich Licht unter Umständen wie ein Teilchenhagel benimmt: Das Licht kann Elektronen in Metallen in Bewegung bringen und manchmal sogar hinaus stoßen. Diese Eigenschaft erlaubt es uns, Sonnenlicht in elektrische Energie umzuwandeln. Licht: Welle oder Teilchen? Heute wissen wir, dass Wellen und Teilchen sich nicht ausschließen müssen. Licht zeigt beide Erscheinungsweisen; Licht ist beides - Welle und Teilchen. Es kommt ganz darauf an, welche Situationen wir betrachten. Um die Ausbreitung von Licht zu beschreiben, müssen wir Licht als Welle betrachten. Wenn uns hingegen die Wechselwirkung von Licht mit Materie interessiert, so ist die Beschreibung als Teilchen angebracht.

Licht ist also beides - oder auch keines von beiden. In der Quantenphysik wird klar, dass das Wesen des Lichts nur mit abstrakter Mathematik umfassend beschrieben werden kann, denn alle anschaulichen Modelle sind unvollkommen.

Huygenssches Prinzip

Jeder Punkt, der von einer Welle erfaßt wird, ist Ausgangspunkt einer Elementarwelle, die sich nach allen Richtungen ausbreitet. Alle Elementarwellen überlagern sich zur beobachteten Welle.

Die Wellenausbreitung wird im Huygensschen Prinzip modellhaft beschrieben. Folgende Vereinfachungen werden dabei gemacht:

1. Die Wellenausbreitung wird nur in einer Richtung betrachtet.(Fortpflanzungsrichtung)

2 Die Wellenausbreitung wird in Teilschritte zerlegt.(Tatsächlich is der Vorgang kontinuierlich)

3. Im Modell ist die Einhüllende von Elementarwellen die Wellenfront

Das Licht als Welle

Historisches: Weißes Licht setzt sich aus verschiedenen Farben zusammen. Das erklärt aber noch nicht, was Licht eigentlich ist. Seit Beginn des 17. Jahrhunderts wurden vermehrt Lichterscheinungen experimentell untersucht. Dabei stand auch immer die Frage nach der Natur des Lichts im Zentrum des Interesses. Die dazu entwickelten physikalischen Modelle wurden nach Möglichkeit der Mechanik entnommen, da mechanische Vorgänge besonders anschaulich sind. Zu Beginn des 19. Jahrhunderts gab der Arzt und Universalgelehrte THOMAS YOUNG (1773-1829) erstmals experimentelle Hinweise dafür, dass Licht Wellennatur hat. (Übrigens hat Thomas Young, hauptberuflich Arzt, auch wesentlich zur Entzifferung der Hieroglyphen beigetragen: ein Universalgenie.)

Bei Wasserwellen und Schallwellen wissen wir, wie sie zustande kommen. Wasserwellen sind im wesentlichen Auf- und Abwärtsbewegung von Wassermolekülen. Schallwellen entstehen durch abwechselnde Verdichtungen und Verdünnungen der Luft. Wie aber kommen Lichtwellen zustande? Diese Frage hat den Physikern im 19. Jahrhundert viel Kopfzerbrechen bereitet. Alle Modelle, die Licht als mechanische Welle zu erklären versuchten, scheiterten schließlich. Die Lösung dieser schwierigen Frage kam dann allerdings nicht aus der Mechanik, sondern aus der Elektrizitätslehre. Der Englische Physiker JAMES CLERK MAXWELL (1831-1879) sagte die Existenz von elektromagnetischen Wellen voraus. Im Jahre 1886 gelang es dem deutschen Physiker HEINRICH HERTZ (1857-1894) diese Wellen experimentell nachzuweisen. Elektromagnetische Wellen werden im Gegensatz zu Wasser- oder Schallwellen nicht durch schwingende Teilchen gebildet, sondern entstehen durch sich ausbreitende elektrische und magnetische Felder. Der Beschleunigung von geladenen Teilchen entspricht eine Anderung des durch die Bewegung der geladenen Teilchen gebildeten elektrischen Stromes. Mit der Beschleunigung der geladenen Teilchen ist eine Anderung des entstandenen Magnetfeldes verbunden. Man kann zeigen, dass diese Anderung des Magnetfeldes zur Ausbildung einer Schockwelle ähnlich wie bei der Anderung des elektrischen Feldes führt. Sie können sich damit auch im Vakuum ausbreiten. Im Zusammenhang mit Licht waren diese Wellen aus zwei Gründen interessant:

--> Die Theorie ergab für die Ausbreitungsgeschwindigkeit dieser Wellen einen Wert, der gut mit der gemessenen Lichtgeschwindigkeit (ca. 300'000 km/sec.) übereinstimmte.

--> Die Untersuchungen von HERTZ zeigten, dass diese Wellen die gleichen Eigenschaften haben wie Licht: Spiegelung, Brechung

Daher lag die Vermutung nahe, Licht sei eine elektromagnetische Welle. Dieses Modell erwies sich in der Folge als sehr erfolgreich: Alle damals bekannten Lichterscheinungen konnten dadurch erklärt werden. Damit war erwiesen: Licht zeigt alle Aspekte einer elektromagnetischen Welle. Nun weißt Du vielleicht schon, dass beispielsweise auch Radiowellen elektromagnetische Wellen sind. Worin liegt nun der Unterschied zwischen einer Radiowelle und einer Lichtwelle? Der Unterschied liegt einzig in ihrer Frequenz bzw. Wellenlänge. Die Wellenlänge ist der räumliche Abstand zwischen zwei Wellenbergen. Die Frequenz f besagt, wie oft diese Wiederholung innerhalb einer Sekunde stattfindet. Die Frequenz ist die Anzahl Wellenberge, die an einem festen Punkt in einer Sekunde vorbeigehen. Die Lichtgeschwindigkeit ist eine Naturkonstante. Sie hat den hohen Wert von c = 3*10⁸ m/s = 300'000 km/sec. Im Vakuum breiten sich alle elektromagnetische Wellen, unabhängig von Frequenz und Wellenlänge, gleich schnell aus. Elektromagnetische Wellen können auf ganz verschiedene Weisen und mit unterschiedlichen Wellenlängen erzeugt werden. Die Unterteilung des elektromagnetischen Spektrums orientiert sich an verschiedenen Erscheinungsformen und ist etwas willkürlich. Für den Menschen ist der schmale Bereich mit dem sichtbaren Licht zentral. Selbstverständlich sieht der Mensch nicht zufällig in einem Wellenlängenbereich! Unsere Augen nehmen diejenigen elektromagnetischen Wellen am besten wahr, die im Sonnenlicht am häufigsten vorhanden sind. Die Sonne gibt ihre Energie vorwiegend als sichtbares Licht ab. Die Wellenlängen im Sichtbaren nehmen von Violett nach Rot (400 nm < < 750 nm) etwa auf das Doppelte zu. Das wäre in der Musik nur eine einzige Oktave.

Spektrum

Im klassischen Sinn bezeichnet man die Farbenfolge violett, blau, grün, gelb, orange und rot als Spektrum, die sich aus weißem Licht nach Durchgang durch ein Prisma erhalten lässt.

Nach Wellenlänge geordnet (längste Wellenlänge zuerst) wird das gesamte elektromagnetische Spektrum folgendermaßen unterteilt - Überschneidungen der einzelnen Bereiche sind möglich:

technischer Wechselstrom (um 10⁷ Meter)

tonfrequenter Wechselstrom (um 10⁵ Meter)

Langwellen (30 Kilometer bis 600 Meter)

Mittelwellen (600 bis 200 Meter)

Kurzwellen (200 bis 10 Meter)

Ultrakurzwellen (10 bis 1 Meter)

kosmische Radiowellen und Mikrowellen (1 Meter bis 0,1 Millimeter)

Infrarotstrahlung (1,5 Millimeter bis 0,75 Mikrometer)

sichtbares Spektrum (0,8 bis 0,4 Mikrometer)

Ultraviolettstrahlung (400 bis 3 Nanometer)

Röntgenstrahlung (10^-8 bis 10^-15 Meter)

Gammastrahlung (10^-10 bis 10^-15 Meter)

sekundäre Höhenstrahlung (10^-15 bis 10^-17 Meter).

Der Photoeffekt - Das Licht als Teilchen

Gegen Ende des 19. Jahrhunderts war die Frage nach der Natur des Lichts scheinbar geklärt: Licht ist eine elektromagnetische Welle. Damit konnten alle damals bekannten Lichtphänomene beschrieben werden. Die bis dahin gemachten Experimente untersuchten vorwiegend die Lichtausbreitung. Wie aber wirkt Licht auf Materie? Dies war noch wenig untersucht. Es bestanden allerdings kaum Zweifel darüber, dass die Wellentheorie auch die Wechselwirkung zwischen Licht und Materie korrekt beschreiben würde. Interessanterweise war es dann HEINRICH HERTZ, der bei seinen Untersuchungen der elektromagnetischen Wellen zufällig einen interessanten Effekt beobachtete. Dieser Effekt sollte zu einem völlig neuen Verständnis des Lichtes führen. Der äußere Photoeffekt. Wie verhält sich eine Metallplatte, wenn sie mit Licht beschossen bzw. bestrahlt wird?

Untersucht man den äußeren Photoeffekt genauer, so stellt man Folgendes fest:

--> Die kinetische Energie (und damit die Geschwindigkeit) der austretenden Elektronen ist unabhängig von der
Beleuchtungsstärke. Einzelne Elektronen verlassen die Platte auch bei sehr schwacher Beleuchtung.

--> Die Energie der ausgesandten Photoelektronen ist statt dessen für ein bestimmtes Material nur von der Wellenlänge des eingestrahlten Lichts abhängig. Und zwar nimmt sie linear mit der Lichtfrequenz zu.

--> Die Anzahl der in einem Zeitintervall ausgesandten Photoelektronen ist proportional zur Beleuchtungsstärke.

Diese experimentellen Tatsachen stehen in deutlichem Widerspruch zu dem, was auf Grund der Wellentheorie erwartet wäre: Wenig Licht bedeutet wenig Energiezufuhr. Bei schwachem Licht dürften bloß noch ganz langsame Elektronen austreten. Unterhalb einer materialabhängigen Grenze vermöchte schwaches Licht keine Elektronen mehr herauszulösen.

Die Wellentheorie des Lichts kann den äußeren Photoeffekt nicht erklären.

Der äußere Photoeffekt wurde von ALBERT EINSTEIN in einem berühmten Artikel im März 1905 wie folgt interpretiert:
'Nach der Auffassung, dass das erregende Licht aus Energiequanten von der Energie h*f bestehe, lässt sich die Erzeugung von Elektronen durch Licht folgendermaßen auffassen. In die oberflächliche Schicht des Körpers dringen Energiequanten (sogenannte Photonen) ein und deren Energie verwandelt sich zum Teil in kinetische Energie von Elektronen. Die einfachste Vorstellung ist die, dass ein Photon seine ganze Energie an ein einziges Elektron abgibt. Außerdem wird anzunehmen sein, dass jedes Elektron beim Verlassen des Körpers eine (für den Körper charakteristische) Arbeit W zu leisten hat, wenn es den Körper verlässt. Mit der größten Normalgeschwindigkeit (normal zur Oberfläche) werden die unmittelbar an der Oberfläche, normal zu dieser erregten Elektronen den Körper verlassen. Die kinetische Energie solcher Elektronen ist: h*f - W.' Mit anderen Worten: Licht gibt seine Energie nur in Form von unteilbaren Energieportionen weiter. Diese Portionen werden 'Energiequanten' oder kurz auch 'Photonen' genannt. Die Energie jedes einzelnen Photons beträgt h*f. Die Größe h ist eine Naturkonstante. Sie heißt Planck'sches Wirkungsquantum und hat den Wert h = 6,67*10-34 J*s.

Lichtenergie gibt es nur portionenweise. Auch sehr helles Licht gibt an ein einzelnes Elektron nur die Energie h*f ab. Bei der Wechselwirkung mit Materie verhält sich Licht also so, als ob es aus einem Teilchenstrom bestehen würde. ALBERT EINSTEIN erhielt im Jahre 1923 den Nobelpreis für Physik für eben diese Interpretation des äußeren Photoeffekts. Damals war er schon berühmt, allerdings wegen der Relativitätstheorie. Hat denn die Helligkeit eines Lichtstrahls nichts mit der Energie zu tun? Doch! Je heller ein Lichtstrahl ist, desto mehr Photonen enthält er. Beim äußeren Photoeffekt kann ein heller Lichtstrahl mehr Elektronen freisetzen als ein weniger starker Strahl mit gleicher Farbe (Frequenz). Die Energie aber, mit der die einzelnen Elektronen herausgeschleudert werden, bleibt gleich. Die Beziehungen zwischen der Farbe des Lichts, der Wellenlänge und der Frequenz ergeben, kombiniert mit der Quantenidee folgendes: Die Photonen von blauem Licht sind energiereicher als diejenigen von rotem Licht. Aus der Gleichung für die Energie E=h*f sieht man auch, dass Photonen keine 'normalen' Teilchen sind. Für normale Teilchen hängt die kinetische Energie von der Geschwindigkeit und der Masse ab. Die Photonen fliegen aber immer mit c, sie besitzen keine Masse, und ihre Energie ist proportional zur Lichtfrequenz. Übrigens: Photonen tragen auch einen bestimmten Impuls p = E/c = hf/c. Dieser Impuls führt beispielsweise dazu, dass auf Solarpanels von Satelliten eine Kraft ausgeübt wird, deren störende Wirkung kompensiert werden muss.

Der innere Photoeffekt. Bis jetzt haben wir immer von Metalloberflächen gesprochen. In Metallen sind die Elektronen nahezu frei beweglich. Deshalb leiten sie auch den elektrischen Strom sehr gut. Was passiert aber, wenn Licht auf einen Halbleiter oder einen Isolator trifft? Diese leiten den Strom - sofern keine überdimensional große Spannung drauf ist - schlecht bzw. nicht, weil die Elektronen nicht beweglich, sondern fest an die Atome gebunden sind. Man kann sich die Situation eines Bindungselektrons etwa so vorstellen: Das Elektron ist wie in einer 'Falle'. Die Wand der Falle ist wie eine Treppe. Die Stufen dieser Treppe sind unregelmäßig hoch. Um eine oder mehrere Stufen zu steigen, muss das Elektron eine genau bestimmte Energiemenge zugeführt bekommen, nicht mehr und nicht weniger. Diese Energiestufen heißen Energiezustände oder Energieniveaus. Trifft nun auf ein solches Material Licht, dessen Photonenenergie den Minimalwert erreicht, so steigen die Elektronen eine oder mehrere Stufe höher auf und die Photonen werden 'verschluckt'. Die Photonenenergie kann natürlich auch so groß sein, dass sich die Elektronen ganz aus der Falle lösen. Sie sind dann ähnlich wie beim Metall frei beweglich und können zur elektrischen Stromleitung beitragen. Dies nennt man den inneren Photoeffekt. Er benutzt Lichtenergie um bewegliche Elektronen zu erzeugen.

Albert Einstein

Der deutsch - amerikanische Physiker und Nobelpreisträger ist weltweit bekannt als Schöpfer der speziellen und allgemeinen Relativitätstheorie sowie durch seine Hypothese zur Teilchennatur des Lichtes. Er ist der wohl berühmteste Naturwissenschaftler des 20.Jahrhunderts.

Einstein wurde am 14.März 1879 in Ulm geboren und verbrachte seine Jugend in München. Seine Familie besass dort eine kleine Fabrik für elektrische Geräte. Er lernte erst mit drei Jahren sprechen, glänzte aber als Jugendlicher mit seinem Wissen über die Natur sowie mit seiner Fähigkeit, schwierige mathematische Auffassungen zu verstehen. Mit zwölf Jahren lernte er autodidaktisch die euklidische Geometrie.

Als die Familie wegen wiederholter geschäftlicher Misserfolge von Deutschland nach Mailand (Italien) umsiedelte, nutzte Einstein - der damals 15Jahre alt war - die Möglichkeit, die Schule zu verlassen. Er verbrachte ein Jahr mit seinen Eltern in Mailand. In Aarau (Schweiz) machte er sein Abitur und schrieb sich an der Schweizerischen Eidgenössischen Technischen Hochschule in Zürich ein. Einstein missfielen die dortigen Unterrichtsmethoden. Oft versäumte er den Unterricht und nutzte die Zeit, um eigenständig Physik zu studieren oder seine Geige zu spielen. Sein Studium schloss er 1900 mit Hilfe der Aufzeichnungen eines Mitschülers ab. Seine Professoren schätzten seine Leistungen gering ein und empfahlen ihn nicht für eine Laufbahn an der Universität.

Im Jahr 1902 erhielt er eine Stelle als Prüfer im Schweizer Patentamt in Bern. 1903 heiratete er Mileva Mariç, eine Mitschülerin am Polytechnikum. Das Paar hatte zwei Söhne, ließ sich jedoch später wieder scheiden. Einstein heiratete später nochmals.

Früh wissenschaftliche Veröffentlichungen

Im Jahr 1905 erhielt Einstein von der Universität Zürich seine Doktorwürde für eine theoretische Dissertation über Moleküle. Er veröffentlichte drei theoretische Artikel, die für die Entwicklung der Physik im 20.Jahrhundert von zentraler Bedeutung waren. Im ersten dieser Artikel, der die Brown'sche Molekularbewegung untersucht, gab Einstein eine Erklärung für die irreguläre Bewegung kleiner Teilchen in einer Flüssigkeit: Unregelmäßige Stöße der umgebenden Atome und Moleküle verursachen diese Bewegung. Diese Voraussagen wurden später durch Experimente bestätigt.

Der zweite Artikel, der sich mit dem photoelektrischen Effekt befasste, enthielt eine revolutionäre Hypothese über das Wesen des Lichtes. Einstein ging nicht nur davon aus, dass Licht unter bestimmten Umständen so betrachtet werden könne, als ob es aus Teilchen bestehe. Er vermutete außerdem, dass die jedem Lichtteilchen (das man Photon nennt) innewohnende Energie der Strahlungsfrequenz proportional sei. Die Formel dafür lautet E = h*< wobei E die Strahlungsenergie, h eine universelle Konstante, das so genannte Planck'sche Wirkungsquantum, und < die Strahlungsfrequenz ist. Die Annahme, dass die in einem Lichtstrahl enthaltene Energie in einzelnen Einheiten (oder Quanten) übertragen werde, stand im Widerspruch zu der vorherrschenden Vorstellung, Licht als Wellenerscheinung zu betrachten. Einsteins Theorie stieß zunächst auf einhellige Ablehnung. Er war selbst überrascht, als der amerikanische Physiker Robert Andrews Millikan die Theorie fast ein Jahrzehnt später experimentell bestätigte.

Einsteins Hauptanliegen bestand darin, das Wesen der elektromagnetischen Strahlung zu verstehen. Er bestand später darauf, das Wellen- und das Teilchenmodell für das Licht in einer Theorie zu vereinigen. Wiederum zeigten nur wenige Physiker für diese Ideen Verständnis.

Einsteins spezielle Relativitätstheorie

Einsteins dritter bedeutender Artikel von 1905, Zur Elektrodynamik bewegter Körper, enthielt das, was man später als spezielle Relativitätstheorie bezeichnete. Die Entwicklung der Physik im 19.Jahrhundert war von einer mechanistischen Auffassung geprägt. Optische und elektromagnetische Phänomene wurden in Analogie zur Elektrizitätslehre gedeutet, wobei ein absolut ruhender "Ather" das Medium darstellte. Die Vorstellung widersprach der seit Galileo Galilei bekannten Tatsache, dass zwischen gleichförmig bewegten Körpern nur Relativgeschwindigkeiten beobachtbar sind. Die Gleichungen der Elektrodynamik genügen aber nicht den Transformationen, welche die Umrechnung von einem gleichförmig bewegten Bezugssystem (Inertialsystem) in ein anderes ermöglichen, zumindest nicht innerhalb der Grenzen der Mechanik Isaac Newtons. Nach Einsteins Theorie hat die Aquivalenz (Gleichwertigkeit) aller gleichförmig bewegten Bezugssysteme universelle Gültigkeit. Als zweites Prinzip postulierte er die Konstanz der Lichtgeschwindigkeit in allen gleichförmig zueinander bewegten Bezugssystemen. Er war dadurch in der Lage, eine widerspruchsfreie und korrekte Beschreibung physikalischer Ereignisse in verschiedenen Inertialsystemen zu liefern, ohne spezielle Annahmen über das Wesen von Materie oder Strahlung zu treffen, oder darüber, wie sie miteinander in Wechselwirkung stehen. Die Schwierigkeit, die die Zeitgenossen mit Einsteins Arbeit hatten, rührte nicht daher,

dass sie mathematisch komplex oder technisch undurchsichtig war. Das Problem resultierte vielmehr aus Einsteins Überzeugungen hinsichtlich dessen, was eine geeignete Theorie auszumachen habe sowie hinsichtlich der Beziehung zwischen Experiment und Theorie. Zwar sah Einstein Erfahrung als einzige Quelle des Wissens. Doch hielt er wissenschaftliche Theorien für freie Schöpfungen der Intuition. Und Prämissen, auf denen Theorien basierten, konnten aus seiner Sicht nicht logisch mit Experimenten in Verbindung gebracht werden. Eine gute physikalische Theorie zeichne sich dadurch aus, dass sie hinsichtlich der Beweisführung mit einer geringen Zahl von Postulaten auskomme. Diese Reduktion an Postulaten, die kennzeichnend für das gesamte Werk Einsteins ist, war es, die seine Arbeit auch in Fachkreisen so schwer verständlich machte und ihm lange Zeit keine Unterstützung zukommen ließ.

Einstein fand jedoch auch Befürworter. Sein wichtigster früher Förderer war der deutsche Physiker Max Planck. Einstein blieb, nachdem er in der Wissenschaft an Ansehen gewonnen hatte, noch vier Jahre am Patentamt. Danach folgte ein schneller Aufstieg in der deutschsprachigen akademischen Welt. Seine erste akademische Berufung erhielt er 1909 an die Universität Zürich. 1911 ging er an die deutschsprachige Universität Prag, und 1912 kehrte er wieder an die Eidgenössische Polytechnische Hochschule in Zürich zurück. 1913 wurde er schließlich zum Direktor des Kaiser-Wilhelm-Instituts für Physik in Berlin berufen.

Einstein postuliert, daß die Lichtgeschwindigkeit (c) unabhängig von der Bewegung eines Beobachters konstant ist, woraus sich in der berühmten Gleichung E = mc² die Aquivalenz von Masse (m) und Energie (E) ergibt.

Die allgemeine Relativitätstheorie

Noch bevor Einstein 1907 seine Tätigkeit am Patentamt aufgab, begann er, an der Erweiterung und Verallgemeinerung der Relativitätstheorie auf alle Koordinatensysteme zu arbeiten. Er formulierte anfangs das Aquivalenzprinzip - ein Postulat, dass Gravitationsfelder den Beschleunigungen des Bezugssystems äquivalent sind. Beispielsweise können Menschen, die sich in einem fahrenden Aufzug befinden, prinzipiell nicht unterscheiden, ob die auf sie wirkende Kraft durch die Schwerkraft oder durch eine konstante Beschleunigung des Aufzugs verursacht wird. Die vollständige allgemeine Relativitätstheorie wurde erst 1916 veröffentlicht. In dieser Theorie werden die Wechselwirkungen zwischen Körpern, die vordem den Gravitationskräften zugeschrieben worden waren, als Einwirkung der Körper auf die Geometrie der Raum-Zeit erklärt; dies ist eine vierdimensionale Struktur, eine mathematische Abstraktion mit den drei Dimensionen des euklidischen Raumes und der Zeit als vierter Dimension.

Auf der Basis der allgemeinen Relativitätstheorie erklärte Einstein die bis dahin unerklärbaren Schwankungen in der Bahnbewegung von Planeten und sagte die Beugung des Sternenlichtes in der Nachbarschaft großer und schwerer Körper, beispielsweise der Sonne, voraus. Die Bestätigung des letztgenannten Phänomens während einer Sonnenfinsternis 1919 wurde ein Ereignis. Einsteins Ruhm verbreitete sich in der ganzen Welt.

In späteren Lebensjahren verbrachte Einstein viel Zeit mit der weiteren Verallgemeinerung seiner Theorie. Seine letzte Leistung - eine einheitliche Feldtheorie, die ihm nur unvollständig gelang, war ein Versuch, alle physikalischen Wechselwirkungen (einschließlich der elektromagnetischen sowie der Kernwechselwirkungen) im Sinn einer Modifikation der Raum-Zeit zwischen Elementen zu verstehen, die miteinander in Wechselwirkung stehen.

Die meisten von Einsteins Kollegen hielten diese Theorie für irreführend. Zwischen 1915 und 1930 gelang es, in der Physik eine neuartige Konzeption des grundlegenden Charakters der Materie zu entwickeln, die so genannte Quantentheorie. Diese Theorie erfuhr in der Kopenhagener Deutung von Bohr und Heisenberg eine Interpretation, die Einstein nicht teilte.

Weltbürger

Nach 1919 erlangte Einstein internationale Berühmtheit. Er erhielt von zahlreichen wissenschaftlichen Gesellschaften der Welt Ehrungen und Preise, 1922 den Nobelpreis für Physik. Einstein nutzte seinen Ruhm, um auch politisch Einfluss zu nehmen. Unter anderem unterstütze er die pazifistischen Bestrebungen und den Zionismus. Im 1.Weltkrieg gehörte er zu den wenigen deutschen Akademikern, die öffentlich gegen die deutsche Kriegspolitik auftraten. Nach dem Krieg war Einstein antisemitischen Angriffen rechtsgerichteter Gruppen ausgesetzt.

Einstein und der ungarische Physiker Leo Szilard meldeten in den zwanziger Jahren über 40Patente an. Die beiden entwarfen ein kompressorloses Kühlaggregat; das schwedische Unternehmen AB Electrolux kaufte zwei Patente, brachte sie jedoch nie zur Produktreife.

Als Adolf Hitler 1933 an die Macht kam, beschloss Einstein, von Lehrveranstaltungen in den USA nicht mehr nach Deutschland zurückzukehren. Er übernahm eine Stelle am Institute for Advanced Study in Princeton (New Jersey).

1939 verfasste Einstein mit verschiedenen anderen Physikern einen Brief an Präsident Franklin Delano Roosevelt. Darin wiesen die Verfasser einerseits auf die Möglichkeit hin, eine Atombombe herzustellen und andererseits auf die Gefahr, dass die deutsche Regierung einen solchen Weg einschlagen könnte.

Nach dem Krieg setzte sich Einstein für internationale Abrüstung und eine Weltregierung ein. Er unterstützte weiterhin aktiv den Zionismus, lehnte aber das Angebot von führenden Politikern Israels ab, Präsident dieses Staates zu werden. In den USA sprach Einstein Ende der vierziger und Anfang der fünfziger Jahre öffentlich über die Notwendigkeit, dass die Intellektuellen der Nation jedes Opfer bringen müssten, um die politische Freiheit zu erhalten. Einstein starb am 18.April 1955 in Princeton.

Seine berühmtesten Schriften sind unter anderen: Über die spezielle und allgemeine Relativitätstheorie, Mein Weltbild, Warum Krieg? (mit Sigmund Freud), Die Evolution der Physik (mit dem polnischen Physiker Leopold Infeld) und Aus meinen späten Jahren.

Messung der Lichtgeschwindigkeit nach Römer

Lange war unklar, ob Licht überhaupt Zeit braucht um sich auszubreiten. Neben vielen Versuchen die Geschwindigkeit direkt zu bestimmen, ist es Ole Römer eher zufällig gelungen die Lichtgeschwindigkeit zu bestimmen:

Im 17. Jahrhundert war die Zeitbestimmung für die Orientierung auf hoher See eine große Herausforderung. Dazu legte der französische Astronom Giovanni Domenico Cassini, Direktor der Pariser Sternwarte, die Verfinsterung der Jupitermonde in Zeittafeln nieder. Das Jupitersystem war für Giovanni Domenico Cassini ein Miniaturabbild des ganzen Planetensystems, und die ständig variierenden Konstellationen von Jupiter mit seinen Monden galten ihm als Beispiel für das Verhalten der Planeten. Es ist verständlich, dass die Bahnbewegung dieser Monde sorgfältig studiert wurde. Neben unserem Erdmond gehören die vier Galileischen Monde des Jupiter mit Sicherheit zu den bekanntesten Monden im Sonnensystem. Es sind auch die vier größten Jupitermonde: Io, Europa, Ganymed und Kallisto, benannt nach den vier Geliebten des Göttervaters Zeus, der bei den Römern Jupiter heißt. Entdeckt wurden die Monde 1610 von Galileo Galilei, der ihre Bewegungen um Jupiter als Modellfall und Bestätigung dafür ansah, dass die Planeten um die Sonne laufen. Als sich aber der dänische Astronom Ole Römer um 1675 daranmachte, zur Verbesserung dieser Zeittafeln die Satelliten nochmals zu beobachten, stellte er merkwürdige Abweichungen fest. Wenn die Erde dem Jupiter am nächsten war, stimmte alles vorzüglich, doch im Laufe des nächsten halben Jahres "ging Jupiter nach'. Schließlich lief sein Mond fast 1000 Sekunden zu spät durch den dunklen Schatten des Planeten. Römer machte sich auf Fehlersuche und prüfte die Tabellen. Mittlerweile verging wieder ein halbes Jahr, und - welche Überraschung - die Jupiteruhr ging so genau als wäre nichts gewesen. Römer erklärte den Sachverhalt folgendermaßen:

Befindet sich die Erde im Punkt A und tritt der Jupitermond gerade aus dem Schatten des Planeten, so müsste man, wenn die Erde an derselben Stelle bliebe, nach 42 ½ Stunden einen ebensolchen Austritt beobachten, denn in dieser Zeit vollendet der Mond einen Umlauf. Wenn nun die Erde beispielsweise während 30 Umläufen dieses Mondes immer in A bliebe, so würde man den Mond gerade nach 30 . 42 ½ Stunden wieder aus dem Schatten hervortreten sehen. Da sich die Erde aber während dieser Zeit bis B fortbewegt hat, muss - falls das Licht für eine Fortpflanzung Zeit braucht - die Beleuchtung des Mondes in B später bemerkt werden, als dies in A geschehen wäre. Hat man doch der Zeit von 30 . 42 ½ Stunden noch diejenige hinzuzufügen, welche das Licht braucht, um von A nach B zu laufen.

Nun liegen die Bahnen der Erde und der Jupitermonde fast in der gleichen Ebene, so dass Römer mit einer einfachen Messung auskam: Er bestimmte zweimal im Jahr die Zeiten, zu denen ein Mond hinter dem Jupiter verschwand (oder auf der anderen Seite wieder auftauchte) und stellte fest, dass sich die Finsternistermine wegen des größeren Abstands Jupiter - Erde um 15 Minuten verschoben. Aus diesen 15 Minuten, die das Licht zum durchqueren der Erdbahn (300 Millionen km) benötigt, konnte Römer die Lichtgeschwindigkeit bestimmen und erhielt einen Wert von 227 000 km/s, was schon ziemlich gut an den heutigen Wert von 299 792 458 km/s heran kommt.

Messung der Lichtgeschwindigkeit nach Foucault und Fizeau

Bestimmung mit der Drehspiegelmethode

Fizeau lebte von 1819-1896 und Foucault von 1819-1868.

Es gelang Foucault mit einem Pendel 1851, der Nachweis, dass die Erde sich um ihre eigene Achse dreht (dieses Experiment machte er alleine). Er bestimmte die Lichtgeschwindigkeit in Zusammenarbeit mit dem französischen Physiker Armand Hippolyte Fizeau.

Die Experimente auf der Erde hatten eine höhere Genauigkeit gegenüber den astronomischen Messungen von Ole Rømer.

Grundgedanke dieser Messung:

Ein Lichtstrahl wird von einer Lichtquelle auf einen ebenen Drehspiegel gesendet, dieser Drehspiegel lenkt den Lichtstrahl auf einen Hohlspiegel. Anschließend wird der Lichtstrahl wieder zurück auf den Drehspiegel 'geworfen'. Natürlich hat sich der Drehspiegel in dieser Zeit weitergedreht, und der Lichtstrahl wird somit nicht immer weiter reflektiert, sondern gelangt mit einer seitlichen Verschiebung auf einen Schirm. Aufgrund der gemessenen Verschiebung ist es nun möglich die Lichtgeschwindigkeit zu bestimmen, da sich ja der eine Spiegel in einer bestimmten Zeit weitergedreht hat und aus der Strecke die der Spiegel zurückgelegt hat, lässt sich sehr genau errechnen, wie lange der Lichtstrahl für diese Strecke benötigt hat. So ist es möglich die Lichtgeschwindigkeit, mit Hilfe einer Formel von Foucault, zu berechnen.

Der grosse Vorteil des von Foucault entwickelten Verfahrens besteht nicht nur in der grösseren Genauigkeit sondern auch darin, dass dieser Versuch nur einen kleinen Lichtweg benötigt und so in jedem Laboratorium durchführbar ist. Es ist auch möglich die Lichtgeschwindigkeit noch in anderen Medien zu bestimmen (z.B.: Wasser, Glas, Luft). Um dies zu erreichen füllt man den Raum zwischen dem Drehspiegel und dem Hohlspiegel mit dem entsprechendem Medium aus.

Auf diese Weise stellte Foucault fest, dass die Lichtgeschwindigkeit der Medien Luft und Wasser im Verhältnis 4:3 stehen; das sagt aus, dass die Lichtgeschwindigkeit im Wasser geringer ist als in der Luft

Dieses Experiment wurde von zahlreichen Wissenschaftlern weiter entwickelt, so unter anderem vom Physiker A. Michelson

Das Ergebnis von vielen Messungen lautet: c=2,997925 * 10⁸ m/s

Bestimmung mit der Zahnradmethode

Diese Methode stammt auch von Fizeau aus dem 19. Jhdt. Dabei mußte wegen des bekannten großen Werkes der Lichtgeschwindigkeit ein möglichst großer Lichtweg hergestellt werden. Dieser Versuch wird auch mit einer Lichtquelle, einen Spiegel und einen Zahnrad dazwischen gemacht.
Zunächst versetzt man das Zahnrad in eine rasche Rotation. Während des Zunehmen der Rotationsgeschwindigkeit stellte man zuerst eine Abschwächung der Intensität des reflektierten Lichtstrahls fest, weil er durch die Zahnlücke ging und dann durch den folgenden Zahn verdeckt wurde. Aus der Erhöhung der Rotationsgeschwindigkeit trat wieder ein Maximum an Helligkeit ein. Dreht sich das Zahnrad genau um einen Zahn weiter, während der Lichtstrahl zum Spiegel und wieder zurück gelaufen ist, so fällt der Lichtstrahl durch zwei Lücken.

Aus der Zeit t, in der eine Lücke der nächsten Lücke folgte, und aus der Entfernung s des Spiegels vom Zahnrad errechnete sich die Lichtgeschwindigkeit zu: c = 2s / t
c Lichtgeschwindigkeit
2s Weg für Hin- und Hergang
t Zeit für Hin- und Hergang