Die Lichtgeschwindigkeit ist das bisher ungewöhnlichste bekannte Maß. Der erste, der versuchte, das Phänomen der Lichtausbreitung zu erklären, war Albert Einstein. Er war es, der die bekannte Formel herleitete E = Mc² , wo E ist die Gesamtenergie des Körpers, m ist die Masse, und C ist die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum.
Die Formel wurde erstmals 1905 in den Annalen der Physik veröffentlicht. Etwa zur gleichen Zeit stellte Einstein eine Theorie darüber auf, was mit einem Körper passieren würde, der sich mit absoluter Geschwindigkeit bewegt. Aufgrund der Tatsache, dass die Lichtgeschwindigkeit ein konstanter Wert ist, kam er zu dem Schluss, dass sich Raum und Zeit ändern müssen.
Bei Lichtgeschwindigkeit schrumpft also ein Objekt unendlich, seine Masse nimmt unendlich zu und die Zeit bleibt praktisch stehen.
1977 konnte die Lichtgeschwindigkeit berechnet werden, eine Zahl von 299.792.458 ± 1,2 Metern pro Sekunde wurde genannt. Für grobe Berechnungen wird immer ein Wert von 300.000 km/s angenommen. Von diesem Wert werden alle anderen kosmischen Messungen abgestoßen. So lautet das Konzept „ Lichtjahr"und" Parsec "(3,26 Lichtjahre).
Weder sich mit Lichtgeschwindigkeit fortzubewegen, noch sie zu überwinden, ist unmöglich. Zumindest in dieser Phase der menschlichen Entwicklung. Andererseits versuchen Science-Fiction-Autoren seit etwa 100 Jahren, dieses Problem auf den Seiten ihrer Romane zu lösen. Vielleicht wird die Fantasie eines Tages Wirklichkeit, denn bereits im 19. Jahrhundert sagte Jules Verne das Erscheinen eines Hubschraubers, eines Flugzeugs und eines elektrischen Stuhls voraus, und dann war es reine Fantasie!
Arzt technische Wissenschaften A. GOLUBEV.
Mitte letzten Jahres erschien in den Zeitschriften ein sensationeller Bericht. Eine Gruppe amerikanischer Forscher hat herausgefunden, dass sich ein sehr kurzer Laserpuls in einem speziell ausgewählten Medium hundertmal schneller fortbewegt als im Vakuum. Dieses Phänomen erschien völlig unglaubwürdig (die Lichtgeschwindigkeit in einem Medium ist immer geringer als im Vakuum) und ließ sogar Zweifel an der Gültigkeit aufkommen spezielle Theorie Relativität. Unterdessen wurde ein superluminales physikalisches Objekt – ein Laserpuls in einem verstärkenden Medium – erstmals nicht im Jahr 2000, sondern 35 Jahre zuvor, im Jahr 1965, entdeckt, und die Möglichkeit einer superluminalen Bewegung wurde bis Anfang der 70er Jahre ausführlich diskutiert. Heute ist die Diskussion um dieses seltsame Phänomen mit neuem Elan entbrannt.
Beispiele für "superluminale" Bewegung.
In den frühen 1960er Jahren begann man, kurze Lichtimpulse hoher Leistung zu erhalten, indem man einen Laserblitz durch einen Quantenverstärker (ein Medium mit inverser Besetzung) schickte.
In einem verstärkenden Medium bewirkt der Anfangsbereich eines Lichtimpulses eine stimulierte Emission von Atomen im Verstärkermedium, und sein Endbereich bewirkt eine Energieabsorption durch sie. Als Ergebnis erscheint es dem Beobachter, als würde sich der Impuls bewegen schneller als das Licht.
Lijun Wong-Experiment.
Ein Lichtstrahl, der durch ein Prisma aus transparentem Material (z. B. Glas) fällt, wird gebrochen, d. h. er erfährt eine Dispersion.
Ein Lichtimpuls ist ein Satz von Schwingungen unterschiedlicher Frequenzen.
Wahrscheinlich weiß jeder – auch Menschen weit weg von der Physik –, dass die maximal mögliche Geschwindigkeit der Bewegung materieller Objekte oder der Ausbreitung von Signalen die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum ist. Es ist mit dem Buchstaben gekennzeichnet von und ist fast 300.000 Kilometer pro Sekunde; genauer Wert von= 299 792 458 m/s. Die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum ist eine der fundamentalen physikalischen Konstanten. Die Unmöglichkeit, Geschwindigkeiten zu erreichen, die überschritten werden von, folgt aus der Speziellen Relativitätstheorie (SRT) von Einstein. Wenn es gelänge, nachzuweisen, dass die Übertragung von Signalen mit Überlichtgeschwindigkeit möglich ist, würde die Relativitätstheorie hinfällig. Bisher ist dies trotz zahlreicher Versuche, das Verbot der Existenz von Geschwindigkeiten über zu widerlegen, nicht geschehen von. Allerdings hinein Experimentelle Studien Kürzlich wurden einige sehr interessante Phänomene entdeckt, die darauf hindeuten, dass es unter speziell geschaffenen Bedingungen möglich ist, Überlichtgeschwindigkeiten zu beobachten, ohne die Prinzipien der Relativitätstheorie zu verletzen.
Erinnern wir uns zunächst an die Hauptaspekte im Zusammenhang mit dem Problem der Lichtgeschwindigkeit. Zunächst einmal: Warum ist es (unter normalen Bedingungen) unmöglich, die Lichtgrenze zu überschreiten? Denn dann wird das Grundgesetz unserer Welt verletzt – das Gesetz der Kausalität, wonach die Wirkung die Ursache nicht überholen kann. Niemand hat jemals beobachtet, dass zum Beispiel zuerst ein Bär tot umgefallen ist und dann ein Jäger geschossen hat. Bei überhöhten Geschwindigkeiten von, die Reihenfolge der Ereignisse wird umgekehrt, das Zeitband wird zurückgespult. Dies kann leicht aus der folgenden einfachen Argumentation gesehen werden.
Nehmen wir an, wir befinden uns auf einem bestimmten kosmischen Wunderschiff, das sich schneller als das Licht bewegt. Dann würden wir das von der Quelle zu immer früheren Zeitpunkten ausgestrahlte Licht nach und nach einholen. Zuerst würden wir Photonen einholen, die beispielsweise gestern emittiert wurden, dann - vorgestern emittiert, dann - vor einer Woche, einem Monat, vor einem Jahr und so weiter. Wenn die Lichtquelle ein Spiegel des Lebens wäre, dann würden wir zuerst die Ereignisse von gestern sehen, dann von vorgestern und so weiter. Wir könnten zum Beispiel einen alten Mann sehen, der sich allmählich in einen Mann mittleren Alters verwandelt, dann in einen jungen Mann, in einen Jugendlichen, in ein Kind ... Das heißt, die Zeit würde zurückgedreht, wir würden uns von der Gegenwart zu bewegen die Vergangenheit. Ursache und Wirkung würden sich dann umkehren.
Obwohl dieses Argument die technischen Details des Prozesses der Lichtbeobachtung völlig ignoriert, zeigt es aus grundlegender Sicht deutlich, dass die Bewegung mit Überlichtgeschwindigkeit zu einer Situation führt, die in unserer Welt unmöglich ist. Die Natur hat jedoch noch strengere Bedingungen gestellt: Es ist unerreichbar, sich nicht nur mit Überlichtgeschwindigkeit, sondern auch mit einer Geschwindigkeit zu bewegen gleiche Geschwindigkeit Licht, - man kann sich ihm nur nähern. Aus der Relativitätstheorie folgt, dass mit zunehmender Bewegungsgeschwindigkeit drei Umstände eintreten: Die Masse eines sich bewegenden Objekts nimmt zu, seine Größe nimmt in Bewegungsrichtung ab und der Zeitablauf auf diesem Objekt verlangsamt sich (ab aus der Sicht eines externen "ruhenden" Beobachters). Bei normalen Geschwindigkeiten sind diese Änderungen vernachlässigbar, aber wenn wir uns der Lichtgeschwindigkeit nähern, werden sie immer deutlicher und im Grenzbereich - bei einer Geschwindigkeit von gleich von, - die Masse wird unendlich groß, das Objekt verliert in Bewegungsrichtung vollständig seine Größe und die Zeit bleibt auf ihm stehen. Daher kann kein materieller Körper die Lichtgeschwindigkeit erreichen. Nur Licht selbst hat eine solche Geschwindigkeit! (Und auch das "alles durchdringende" Teilchen - das Neutrino, das sich wie das Photon nicht mit einer Geschwindigkeit von weniger als bewegen kann von.)
Nun zur Signalübertragungsgeschwindigkeit. Hier bietet es sich an, die Darstellung von Licht in der Form zu verwenden Elektromagnetische Wellen. Was ist ein Signal? Dies sind einige Informationen, die übermittelt werden müssen. Eine ideale elektromagnetische Welle ist eine unendliche Sinuskurve mit genau einer Frequenz und kann keine Informationen tragen, da jede Periode einer solchen Sinuskurve die vorherige exakt wiederholt. Die Geschwindigkeit, mit der sich die Phase der Sinuswelle bewegt – die sogenannte Phasengeschwindigkeit - kann unter bestimmten Bedingungen die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum überschreiten. Hier gibt es keine Einschränkungen, da die Phasengeschwindigkeit nicht die Geschwindigkeit des Signals ist - sie existiert noch nicht. Um ein Signal zu erzeugen, müssen Sie eine Art "Markierung" auf der Welle machen. Eine solche Markierung kann zum Beispiel eine Änderung eines beliebigen Wellenparameters sein – Amplitude, Frequenz oder Anfangsphase. Aber sobald die Markierung erfolgt ist, verliert die Welle ihre Sinusförmigkeit. Es wird moduliert und besteht aus einer Reihe einfacher Sinuswellen mit unterschiedlichen Amplituden, Frequenzen und Anfangsphasen- Gruppen von Wellen. Die Bewegungsgeschwindigkeit der Markierung in der modulierten Welle ist die Geschwindigkeit des Signals. Bei der Ausbreitung in einem Medium fällt diese Geschwindigkeit in der Regel mit der Gruppengeschwindigkeit zusammen, die die Ausbreitung der oben genannten Wellengruppe insgesamt charakterisiert (siehe "Wissenschaft und Leben" Nr. 2, 2000). Unter normalen Bedingungen ist die Gruppengeschwindigkeit und damit die Signalgeschwindigkeit kleiner als die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum. Nicht umsonst wird hier der Ausdruck „unter normalen Bedingungen“ verwendet, da in manchen Fällen auch die Gruppengeschwindigkeit überschritten werden kann von oder sogar an Bedeutung verlieren, aber dann gilt es nicht für die Signalausbreitung. Im SRT ist festgelegt, dass es unmöglich ist, ein Signal mit einer höheren Geschwindigkeit als zu übertragen von.
Wieso ist es so? Weil das Hindernis für die Übertragung eines Signals bei einer Geschwindigkeit größer als von es gilt das gleiche Kausalitätsgesetz. Stellen wir uns eine solche Situation vor. An einem Punkt A schaltet ein Lichtblitz (Ereignis 1) ein Gerät ein, das ein bestimmtes Funksignal sendet, und an einem entfernten Punkt B kommt es unter der Wirkung dieses Funksignals zu einer Explosion (Ereignis 2). Es ist klar, dass Ereignis 1 (Blitz) die Ursache ist und Ereignis 2 (Explosion) die Wirkung ist, die später als die Ursache auftritt. Aber wenn sich das Funksignal mit Überlichtgeschwindigkeit ausbreitet, würde ein Beobachter in der Nähe von Punkt B zuerst eine Explosion sehen, und erst dann - die ihn mit einer Geschwindigkeit erreicht von Lichtblitz, die Ursache der Explosion. Mit anderen Worten, für diesen Beobachter wäre Ereignis 2 vor Ereignis 1 eingetreten, dh die Wirkung wäre der Ursache vorausgegangen.
Es ist angebracht zu betonen, dass das „superluminale Verbot“ der Relativitätstheorie nur der Bewegung auferlegt wird materielle Körper und Signalübertragung. In vielen Situationen ist es möglich, sich mit beliebiger Geschwindigkeit zu bewegen, aber es wird die Bewegung von immateriellen Objekten und Signalen sein. Stellen Sie sich zum Beispiel zwei ziemlich lange Lineale vor, die in derselben Ebene liegen, von denen eines horizontal angeordnet ist und das andere es in einem kleinen Winkel schneidet. Wenn die erste Linie mit hoher Geschwindigkeit nach unten (in Pfeilrichtung) bewegt wird, kann der Schnittpunkt der Linien beliebig schnell verlaufen, aber dieser Punkt ist kein materieller Körper. Ein anderes Beispiel: Wenn Sie eine Taschenlampe nehmen (oder beispielsweise einen Laser, der einen schmalen Strahl abgibt) und schnell einen Bogen in der Luft beschreiben, dann Liniengeschwindigkeit Lichtfleck wird mit zunehmender Entfernung größer und bei ausreichend großer Entfernung größer von. Der Lichtfleck wird sich mit Überlichtgeschwindigkeit zwischen den Punkten A und B bewegen, aber das wird keine Signalübertragung von A nach B sein, da ein solcher Lichtfleck keine Informationen über Punkt A trägt.
Es scheint, dass die Frage der Überlichtgeschwindigkeiten gelöst ist. Aber in den 60er Jahren des 20. Jahrhunderts stellten theoretische Physiker die Hypothese der Existenz von superluminalen Teilchen auf, die Tachyonen genannt werden. Das sind sehr seltsame Teilchen: Sie sind theoretisch möglich, aber um Widersprüche mit der Relativitätstheorie zu vermeiden, musste ihnen eine imaginäre Ruhemasse zugeordnet werden. Physikalisch imaginäre Masse existiert nicht, sie ist eine rein mathematische Abstraktion. Dies war jedoch nicht sehr besorgniserregend, da Tachyonen nicht ruhen können - sie existieren (wenn sie existieren!) nur bei Geschwindigkeiten, die die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum überschreiten, und in diesem Fall erweist sich die Masse des Tachyons als real. Hier gibt es eine Analogie zu Photonen: Ein Photon hat keine Ruhemasse, aber das bedeutet einfach, dass das Photon nicht ruhen kann – Licht kann nicht gestoppt werden.
Das Schwierigste war, wie erwartet, die Tachyon-Hypothese mit dem Kausalitätsgesetz in Einklang zu bringen. Versuche in dieser Richtung, obwohl sie ziemlich genial waren, führten nicht zu offensichtlichen Erfolgen. Es ist auch niemandem gelungen, Tachyonen experimentell zu registrieren. Infolgedessen Interesse an Tachyonen als superluminal Elementarteilchen allmählich verblasst.
In den 60er Jahren wurde jedoch experimentell ein Phänomen entdeckt, das die Physiker zunächst in Verwirrung brachte. Dies wird im Artikel von A. N. Oraevsky "Superluminal waves in amplifying media" (UFN Nr. 12, 1998) ausführlich beschrieben. Hier fassen wir kurz die Essenz der Sache zusammen und verweisen den an den Details interessierten Leser auf den genannten Artikel.
Kurz nach der Entdeckung von Lasern, Anfang der 1960er Jahre, entstand das Problem, kurze (mit einer Dauer in der Größenordnung von 1 ns = 10 –9 s) Hochleistungslichtpulse zu erhalten. Dazu wurde ein kurzer Laserpuls durch einen optischen Quantenverstärker geleitet. Der Impuls wurde durch einen Strahlteilerspiegel in zwei Teile geteilt. Einer von ihnen, stärker, wurde an den Verstärker gesendet, und der andere breitete sich in der Luft aus und diente als Referenzimpuls, mit dem der durch den Verstärker gelaufene Impuls verglichen werden konnte. Beide Impulse wurden Photodetektoren zugeführt, und ihre Ausgangssignale konnten visuell auf dem Oszilloskopschirm beobachtet werden. Es wurde erwartet, dass der durch den Verstärker laufende Lichtimpuls im Vergleich zum Referenzimpuls eine gewisse Verzögerung erfahren würde, dh die Lichtausbreitungsgeschwindigkeit im Verstärker wäre geringer als in Luft. Was war das Erstaunen der Forscher, als sie entdeckten, dass sich der Puls durch den Verstärker nicht nur mit einer Geschwindigkeit ausbreitete, die größer war als in Luft, sondern auch um ein Vielfaches größer als die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum!
Nachdem sie sich von dem ersten Schock erholt hatten, begannen die Physiker nach dem Grund für solch ein unerwartetes Ergebnis zu suchen. Niemand hatte auch nur den geringsten Zweifel an den Prinzipien der speziellen Relativitätstheorie, und genau das half, die richtige Erklärung zu finden: Wenn die Prinzipien der SRT erhalten bleiben, sollte die Antwort in den Eigenschaften des verstärkenden Mediums gesucht werden .
Ohne hier auf Details einzugehen, weisen wir lediglich darauf hin, dass eine ausführliche Analyse des Wirkmechanismus des verstärkenden Mediums die Sachlage vollständig geklärt hat. Der Punkt lag in der Änderung der Konzentration von Photonen während der Ausbreitung des Pulses – eine Änderung, die auf eine Änderung des Verstärkungsfaktors des Mediums zurückzuführen ist negativer Wert beim Durchgang des hinteren Teils des Pulses, wenn das Medium bereits Energie aufnimmt, weil seine eigene Reserve durch die Übertragung auf den Lichtpuls bereits aufgebraucht ist. Die Absorption bewirkt keine Erhöhung, sondern eine Verringerung des Impulses, wodurch der Impuls vorne verstärkt und hinten abgeschwächt wird. Stellen wir uns vor, wir beobachten einen Puls mit einem Instrument, das sich mit Lichtgeschwindigkeit in einem Verstärkermedium bewegt. Wenn das Medium transparent wäre, würden wir einen in Unbeweglichkeit erstarrten Impuls sehen. In dem Medium, in dem der oben erwähnte Vorgang abläuft, wird dem Beobachter die Verstärkung der Vorderflanke und die Abschwächung der Hinterflanke des Pulses so erscheinen, als ob das Medium den Puls gleichsam nach vorne verschoben hat . Aber da sich das Gerät (Beobachter) mit Lichtgeschwindigkeit bewegt und der Impuls es überholt, übersteigt die Geschwindigkeit des Impulses die Lichtgeschwindigkeit! Dieser Effekt wurde von den Experimentatoren registriert. Und hier gibt es wirklich keinen Widerspruch zur Relativitätstheorie: Es ist nur so, dass der Verstärkungsprozess so ist, dass die Konzentration früher herausgekommener Photonen größer ausfällt als die später herauskommenden. Nicht Photonen bewegen sich mit Überlichtgeschwindigkeit, sondern die Hüllkurve des Pulses, insbesondere sein Maximum, das auf dem Oszilloskop beobachtet wird.
Während es also in gewöhnlichen Medien immer zu einer Abschwächung des Lichts und einer durch den Brechungsindex bestimmten Geschwindigkeitsabnahme kommt, wird in aktiven Lasermedien nicht nur eine Verstärkung des Lichts beobachtet, sondern auch die Ausbreitung eines Pulses mit Überlichtgeschwindigkeit.
Einige Physiker haben versucht, das Vorhandensein einer superluminalen Bewegung im Tunneleffekt experimentell zu beweisen - eines der erstaunlichsten Phänomene in Quantenmechanik. Dieser Effekt besteht darin, dass ein Mikropartikel (genauer gesagt ein Mikroobjekt, das unter verschiedenen Bedingungen sowohl die Eigenschaften eines Partikels als auch die Eigenschaften einer Welle aufweist) die sogenannte Potentialbarriere durchdringen kann - ein völlig unmögliches Phänomen in der klassischen Mechanik (in der eine solche Situation analog wäre: Ein gegen eine Wand geworfener Ball würde auf der anderen Seite der Wand landen, oder die wellenförmige Bewegung eines an der Wand befestigten Seils würde auf ein daran befestigtes Seil übertragen die Wand auf der anderen Seite). Die Essenz des Tunneleffekts in der Quantenmechanik ist wie folgt. Trifft ein Mikroobjekt mit einer bestimmten Energie auf seinem Weg auf einen Bereich mit einer potentiellen Energie, die die Energie des Mikroobjekts übersteigt, stellt dieser Bereich für ihn eine Barriere dar, deren Höhe durch die Energiedifferenz bestimmt wird. Aber das Mikroobjekt "leckt" durch die Barriere! Diese Möglichkeit wird ihm durch die bekannte Heisenbergsche Unschärferelation gegeben, geschrieben für die Energie und die Wechselwirkungszeit. Wenn die Wechselwirkung des Mikroobjekts mit der Barriere für eine hinreichend bestimmte Zeit stattfindet, wird die Energie des Mikroobjekts dagegen durch Unsicherheit gekennzeichnet sein, und wenn diese Unsicherheit in der Größenordnung der Barrierenhöhe liegt, dann hört diese auf ein unüberwindbares Hindernis für das Mikroobjekt darstellen. Es ist die Durchdringungsrate durch die Potentialbarriere, die Gegenstand der Forschung einer Reihe von Physikern geworden ist, die glauben, dass sie überschritten werden kann von.
Im Juni 1998 fand in Köln ein internationales Symposium über die Probleme superluminaler Bewegungen statt, bei dem die in vier Laboratorien - in Berkeley, Wien, Köln und Florenz - erzielten Ergebnisse diskutiert wurden.
Und schließlich wurde im Jahr 2000 über zwei neue Experimente berichtet, bei denen die Auswirkungen der superluminalen Ausbreitung auftraten. Eine davon wurde von Lijun Wong und Mitarbeitern an einem Forschungsinstitut in Princeton (USA) durchgeführt. Sein Ergebnis: Ein Lichtimpuls, der in eine mit Cäsiumdampf gefüllte Kammer eintritt, erhöht seine Geschwindigkeit um den Faktor 300. Es stellte sich heraus, dass der Hauptteil des Pulses die hintere Wand der Kammer verlässt, noch bevor der Puls durch die Vorderwand in die Kammer eintritt. Diese Situation ist nicht nur konträr gesunder Menschenverstand, sondern im Wesentlichen auch die Relativitätstheorie.
L. Wongs Bericht löste eine intensive Diskussion unter Physikern aus, von denen die meisten nicht geneigt sind, in den erhaltenen Ergebnissen eine Verletzung der Relativitätsprinzipien zu sehen. Die Herausforderung, so glauben sie, besteht darin, dieses Experiment richtig zu erklären.
Im Experiment von L. Wong hatte der mit Cäsiumdampf in die Kammer eintretende Lichtimpuls eine Dauer von etwa 3 μs. Cäsiumatome können sich in sechzehn möglichen quantenmechanischen Zuständen befinden, die als "hyperfeine magnetische Unterebenen im Grundzustand" bezeichnet werden. Durch optisches Laserpumpen wurden fast alle Atome in nur einen dieser sechzehn Zustände gebracht, was fast dem absoluten Temperaturnullpunkt auf der Kelvin-Skala (-273,15 °C) entspricht. Die Länge der Cäsiumkammer betrug 6 Zentimeter. Im Vakuum legt Licht in 0,2 ns 6 Zentimeter zurück. Wie die Messungen zeigten, durchlief der Lichtpuls die Kammer mit Cäsium in einer um 62 ns kürzeren Zeit als im Vakuum. Mit anderen Worten, die Laufzeit eines Pulses durch ein Cäsium-Medium hat ein „Minus“-Vorzeichen! In der Tat, wenn wir 62 ns von 0,2 ns abziehen, erhalten wir eine "negative" Zeit. Diese „negative Verzögerung“ im Medium – ein unverständlicher Zeitsprung – ist gleich der Zeit, in der der Puls 310 Mal die Kammer im Vakuum durchlaufen würde. Die Folge dieser "Zeitumkehrung" war, dass der Impuls, der die Kammer verließ, sich um 19 Meter davon entfernen konnte, bevor der ankommende Impuls die nahe Wand der Kammer erreichte. Wie ist eine so unglaubliche Situation zu erklären (es sei denn, es besteht natürlich kein Zweifel an der Reinheit des Experiments)?
Nach der geführten Diskussion zu urteilen, ist eine genaue Erklärung noch nicht gefunden worden, aber zweifellos spielen hier die ungewöhnlichen Dispersionseigenschaften des Mediums eine Rolle: Cäsiumdampf, bestehend aus durch Laserlicht angeregten Atomen, ist ein Medium mit anomale Streuung. Erinnern wir uns kurz, was es ist.
Die Dispersion einer Substanz ist die Phasenabhängigkeit des (gewöhnlichen) Brechungsindex n auf der Wellenlänge des Lichts l. Bei normaler Dispersion steigt der Brechungsindex mit abnehmender Wellenlänge, und das ist bei Glas, Wasser, Luft und allen anderen lichtdurchlässigen Stoffen der Fall. Bei Stoffen, die Licht stark absorbieren, kehrt sich der Verlauf des Brechungsindex mit einer Änderung der Wellenlänge um und wird deutlich steiler: Mit abnehmendem l (Erhöhung der Frequenz w) nimmt der Brechungsindex stark ab und wird in einem bestimmten Wellenlängenbereich kleiner als Eins (Phasengeschwindigkeit v f > von). Dies ist die anomale Dispersion, bei der sich das Muster der Lichtausbreitung in einer Substanz radikal ändert. Gruppengeschwindigkeit v cp wird größer als die Phasengeschwindigkeit der Wellen und kann im Vakuum die Lichtgeschwindigkeit überschreiten (und auch negativ werden). L. Wong weist auf diesen Umstand als Grund für die Möglichkeit hin, die Ergebnisse seines Experiments zu erklären. Es sollte jedoch beachtet werden, dass die Bedingung v gr > von ist rein formal, da der Begriff der Gruppengeschwindigkeit für den Fall kleiner (normaler) Dispersion eingeführt wurde, für transparente Medien, wenn eine Gruppe von Wellen ihre Form während der Ausbreitung fast nicht ändert. In Bereichen mit anomaler Dispersion wird der Lichtpuls jedoch schnell deformiert und das Konzept der Gruppengeschwindigkeit verliert seine Bedeutung; dabei werden die Begriffe Signalgeschwindigkeit und Eneingeführt, die in transparenten Medien mit der Gruppengeschwindigkeit zusammenfallen, während sie in Medien mit Absorption kleiner als Vakuumlichtgeschwindigkeit bleiben. Aber hier ist das Interessante an Wongs Experiment: Ein Lichtpuls, der durch ein Medium mit anomaler Dispersion geht, verformt sich nicht – er behält seine Form exakt bei! Und das entspricht der Annahme, dass sich der Impuls mit der Gruppengeschwindigkeit ausbreitet. Aber wenn ja, dann stellt sich heraus, dass es keine Absorption im Medium gibt, obwohl die anomale Dispersion des Mediums genau auf Absorption zurückzuführen ist! Wong selbst, der erkennt, dass vieles unklar bleibt, glaubt, dass das, was in seinem Versuchsaufbau passiert, in erster Näherung wie folgt klar erklärt werden kann.
Ein Lichtpuls besteht aus vielen Komponenten mit unterschiedlichen Wellenlängen (Frequenzen). Die Abbildung zeigt drei dieser Komponenten (Wellen 1-3). Irgendwann sind alle drei Wellen in Phase (ihre Maxima fallen zusammen); hier verstärken sie sich gegenseitig und bilden einen Impuls. Wenn sich die Wellen weiter im Raum ausbreiten, sind sie phasenverschoben und "löschen" sich gegenseitig aus.
Im Bereich der anomalen Dispersion (innerhalb der Cäsiumzelle) wird die kürzere Welle (Welle 1) länger. Umgekehrt wird die Welle, die die längste der drei war (Welle 3), zur kürzesten.
Dementsprechend ändern sich auch die Phasen der Wellen. Wenn die Wellen die Cäsiumzelle passiert haben, werden ihre Wellenfronten wiederhergestellt. Nach einer ungewöhnlichen Phasenmodulation in einer Substanz mit anomaler Dispersion finden sich die drei betrachteten Wellen irgendwann wieder in Phase. Hier addieren sie sich wieder und bilden einen Impuls von genau der gleichen Form wie der, der in das Cäsium-Medium eintritt.
Typischerweise kann ein Lichtimpuls in Luft und tatsächlich in jedem normalerweise streuenden transparenten Medium seine Form nicht genau beibehalten, wenn er sich über eine entfernte Entfernung ausbreitet, das heißt, alle seine Komponenten können an keinem entfernten Punkt entlang des Ausbreitungsweges in Phase sein. Und unter normalen Bedingungen erscheint nach einiger Zeit ein Lichtimpuls an einem so entfernten Punkt. Aufgrund der anomalen Eigenschaften des im Experiment verwendeten Mediums stellte sich jedoch heraus, dass der Puls am entfernten Punkt genauso phasenverschoben war wie beim Eintritt in dieses Medium. Der Lichtimpuls verhält sich also so, als hätte er auf seinem Weg zu einem entfernten Punkt eine negative Zeitverzögerung, d. h. er wäre dort nicht später angekommen, sondern früher, als er das Medium passiert hat!
Die meisten Physiker neigen dazu, dieses Ergebnis mit dem Auftreten eines Vorläufers geringer Intensität im Dispersionsmedium der Kammer in Verbindung zu bringen. Tatsache ist, dass bei der spektralen Zerlegung des Pulses das Spektrum Anteile beliebig hoher Frequenzen mit vernachlässigbarer Amplitude enthält, den sogenannten Precursor, der dem "Hauptteil" des Pulses vorausgeht. Die Art der Etablierung und die Form des Vorläufers hängen vom Ausbreitungsgesetz im Medium ab. Vor diesem Hintergrund wird vorgeschlagen, die Abfolge der Ereignisse in Wongs Experiment wie folgt zu interpretieren. Die ankommende Welle, die den Vorboten vor sich „spannt“, nähert sich der Kamera. Bevor die Spitze der ankommenden Welle auf die nahe Wand der Kammer trifft, löst der Vorläufer das Auftreten eines Impulses in der Kammer aus, der die entfernte Wand erreicht und von ihr reflektiert wird, wodurch eine "Rückwelle" gebildet wird. Diese Welle breitet sich 300 Mal schneller aus von, erreicht die nahe Wand und trifft auf die ankommende Welle. Die Spitzen einer Welle treffen auf die Täler einer anderen, so dass sie sich gegenseitig aufheben und nichts übrig bleibt. Es stellt sich heraus, dass die ankommende Welle den Cäsiumatomen, die ihr am anderen Ende der Kammer Energie „geliehen“ haben, „die Schuld zurückgibt“. Jemand, der nur den Anfang und das Ende des Experiments beobachtete, würde nur einen Lichtimpuls sehen, der in der Zeit vorwärts „sprang“ und sich schneller bewegte von.
L. Wong glaubt, dass sein Experiment nicht mit der Relativitätstheorie vereinbar ist. Die Aussage über die Unerreichbarkeit der Überlichtgeschwindigkeit gilt seiner Meinung nach nur für Objekte mit Ruhemasse. Licht kann entweder in Form von Wellen dargestellt werden, auf die der Massenbegriff im Allgemeinen nicht anwendbar ist, oder in Form von Photonen mit bekanntermaßen gleich Null Ruhemasse. Daher ist die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum laut Wong nicht die Grenze. Dennoch gibt Wong zu, dass der von ihm entdeckte Effekt es nicht ermöglicht, Informationen mit einer höheren Geschwindigkeit zu übertragen von.
„Die Informationen hier sind bereits in der Vorderkante des Impulses enthalten“, sagt P. Milonni, Physiker am Los Alamos National Laboratory in den Vereinigten Staaten.
Die meisten Physiker glauben das neue Arbeit versetzt fundamentalen Prinzipien keinen vernichtenden Schlag. Aber nicht alle Physiker glauben, dass das Problem gelöst ist. Professor A. Ranfagni vom italienischen Forschungsteam, das im Jahr 2000 ein weiteres interessantes Experiment durchführte, sagt, die Frage sei immer noch offen. Dieses von Daniel Mugnai, Anedio Ranfagni und Rocco Ruggeri durchgeführte Experiment ergab, dass sich Zentimeterwellen-Funkwellen in gewöhnlicher Luft mit einer Geschwindigkeit ausbreiten, die dies übertrifft von um 25 %.
Zusammenfassend können wir folgendes sagen. Die Arbeiten der letzten Jahre zeigen, dass unter bestimmten Bedingungen tatsächlich Überlichtgeschwindigkeit stattfinden kann. Aber was genau bewegt sich mit Überlichtgeschwindigkeit? Die Relativitätstheorie verbietet, wie bereits erwähnt, eine solche Geschwindigkeit für materielle Körper und für informationstragende Signale. Dennoch versuchen einige Forscher sehr hartnäckig, die Überwindung der Lichtschranke speziell für Signale nachzuweisen. Der Grund dafür liegt darin, dass es in der speziellen Relativitätstheorie keine strenge mathematische Begründung gibt (basierend etwa auf Maxwells Gleichungen für elektromagnetisches Feld) die Unmöglichkeit, Signale mit einer Geschwindigkeit von mehr als zu übertragen von. Eine solche Unmöglichkeit ist in der SRT gewissermaßen rein arithmetisch begründet, basierend auf Einsteins Formel zur Addition von Geschwindigkeiten, aber grundsätzlich wird dies durch das Prinzip der Kausalität bestätigt. Einstein selbst schrieb in Anbetracht der Frage der überlichten Signalübertragung, dass in diesem Fall „… wir gezwungen sind, einen Signalübertragungsmechanismus für möglich zu halten, bei dessen Anwendung die erzielte Wirkung der Ursache vorausgeht Sichtweise enthält meiner Meinung nach keine Widersprüche, widerspricht aber doch dem Charakter all unserer Erfahrung so sehr, dass die Unmöglichkeit der Annahme V > c scheint hinreichend bewiesen.“ Das Prinzip der Kausalität ist der Grundstein, der der Unmöglichkeit einer superluminalen Signalübertragung zugrunde liegt. Und dieser Stein wird anscheinend ausnahmslos alle Suchen nach superluminalen Signalen zum Scheitern bringen, egal wie sehr Experimentatoren solche entdecken möchten Signale, denn das ist die Natur unserer Welt.
Abschließend sollte betont werden, dass all das Obige speziell auf unsere Welt, auf unser Universum zutrifft. Diese Bestimmung wurde gemacht, weil In letzter Zeit In der Astrophysik und Kosmologie tauchen neue Hypothesen auf, die die Existenz vieler uns verborgener Universen ermöglichen, die durch topologische Tunnel verbunden sind - Jumper. Diese Sichtweise wird beispielsweise von dem bekannten Astrophysiker N. S. Kardashev geteilt. Für einen außenstehenden Beobachter sind die Eingänge zu diesen Tunneln durch anomale Gravitationsfelder gekennzeichnet, ähnlich wie bei Schwarzen Löchern. Bewegungen in solchen Tunneln, wie von den Autoren der Hypothesen vorgeschlagen, werden es ermöglichen, die Begrenzung der Bewegungsgeschwindigkeit, die im gewöhnlichen Raum durch die Lichtgeschwindigkeit auferlegt wird, zu umgehen und folglich die Idee der Schaffung eines zu verwirklichen Zeitmaschine ... Dinge. Und obwohl solche Hypothesen bisher zu sehr an Science-Fiction-Plots erinnern, sollte man die grundsätzliche Möglichkeit eines Mehrelementmodells der Struktur der materiellen Welt kaum kategorisch ablehnen. Eine andere Sache ist, dass all diese anderen Universen wahrscheinlich rein bleiben werden mathematische Konstruktionen Theoretische Physiker, die in unserem Universum leben und versuchen, die Welten zu finden, die uns durch die Kraft ihrer Gedanken verschlossen sind ...
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Der Mensch hat sich schon immer für die Natur des Lichts interessiert, wie Mythen, Legenden, philosophische Auseinandersetzungen und wissenschaftliche Beobachtungen belegen, die uns überliefert sind. Licht war schon immer ein Anlass für Diskussionen antiker Philosophen, und Versuche, es zu studieren, wurden sogar zur Zeit der Entstehung der euklidischen Geometrie - 300 Jahre v. Chr. - unternommen. Schon damals wusste man um die Geradlinigkeit der Lichtausbreitung, die Gleichheit von Einfalls- und Reflexionswinkel, das Phänomen der Lichtbrechung, die Ursachen des Regenbogens wurden diskutiert. Aristoteles glaubte, dass die Lichtgeschwindigkeit unendlich groß ist, und daher wird Licht logischerweise nicht diskutiert. Ein typischer Fall, wenn das Problem der Ära voraus ist, die Antwort in ihrer Tiefe zu verstehen.
Vor etwa 900 Jahren schlug Avicenna vor, dass die Lichtgeschwindigkeit, egal wie groß sie ist, immer noch einen endlichen Wert hat. Dieser Meinung war nicht nur er, sondern niemand konnte sie experimentell beweisen. Der brillante Galileo Galilei schlug ein Experiment zum mechanistischen Verständnis des Problems vor: Zwei Personen, die mehrere Kilometer voneinander entfernt stehen, geben Signale, indem sie den Verschluss der Laterne öffnen. Sobald der zweite Teilnehmer das Licht der ersten Lampe sieht, öffnet er seinen Verschluss und der erste Teilnehmer legt den Zeitpunkt des Empfangs des Antwortlichtsignals fest. Dann vergrößert sich der Abstand und alles wiederholt sich. Es sollte die Verzögerungszunahme fixieren und auf dieser Grundlage die Berechnung der Lichtgeschwindigkeit durchführen. Das Experiment endete im Sande, denn „es ging nicht plötzlich, sondern extrem schnell“.
Der erste, der 1676 die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum maß, war der Astronom Ole Remer – er nutzte die Entdeckung von Galileo: Er entdeckte 1609 vier, bei denen der Zeitunterschied zwischen zwei Satellitenfinsternissen ein halbes Jahr lang 1320 Sekunden betrug. Unter Verwendung der astronomischen Informationen seiner Zeit erhielt Roemer den Wert der Lichtgeschwindigkeit von 222.000 km pro Sekunde. Es stellte sich als erstaunlich heraus, dass die Messmethode selbst unglaublich genau ist – unter Verwendung der jetzt bekannten Daten über den Durchmesser des Jupiters und die Verzögerungszeit der Verdunkelung des Satelliten ergibt sich die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum auf der Ebene zeitgenössische Bedeutungen durch andere Methoden erhalten.
Zunächst gab es nur einen Anspruch auf Roemers Experimente - es war notwendig, Messungen mit irdischen Mitteln durchzuführen. Fast 200 Jahre sind vergangen, und Louis Fizeau baute eine geniale Installation, bei der ein Lichtstrahl von einem Spiegel in einer Entfernung von mehr als 8 km reflektiert und zurückkam. Die Subtilität bestand darin, dass es die Straße entlang durch die Hohlräume des Zahnrads hin und her ging, und wenn die Drehgeschwindigkeit des Rads erhöht wird, wird der Moment kommen, in dem das Licht nicht mehr sichtbar ist. Der Rest ist eine Frage der Technik. Das Messergebnis lautet 312.000 km pro Sekunde. Wir sehen jetzt, dass Fizeau der Wahrheit noch näher war.
Den nächsten Schritt zur Messung der Lichtgeschwindigkeit machte Foucault, der das Zahnrad ersetzte, wodurch die Abmessungen der Anlage reduziert und die Messgenauigkeit auf 288.000 km pro Sekunde gesteigert werden konnte. Nicht weniger wichtig war Foucaults Experiment, bei dem er die Lichtgeschwindigkeit in einem Medium bestimmte. Dazu wurde ein Rohr mit Wasser zwischen den Spiegeln der Installation platziert. In diesem Experiment wurde eine Abnahme der Lichtgeschwindigkeit während seiner Ausbreitung in einem Medium in Abhängigkeit vom Brechungsindex festgestellt.
In der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts kam die Zeit Michelsons, der 40 Jahre seines Lebens Messungen im Lichtbereich widmete. Den Höhepunkt seiner Arbeit bildete die Installation, an der er mit einem mehr als anderthalb Kilometer langen, evakuierten Metallrohr die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum maß. Michelsons andere grundlegende Errungenschaft war der Nachweis, dass die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum für jede Wellenlänge gleich ist und als moderner Standard 299792458 +/- 1,2 m/s beträgt. Solche Messungen wurden auf der Grundlage aktualisierter Werte des Referenzzählers durchgeführt, dessen Definition seit 1983 als internationaler Standard anerkannt ist.
Der weise Aristoteles lag falsch, aber es dauerte fast 2000 Jahre, um es zu beweisen.
Wirklich, wie? So messen Sie die höchste Geschwindigkeit in Universum in unserem bescheidenen Bedingungen der Erde? Daran brauchen wir nicht mehr zu rätseln, schließlich beschäftigen sich seit Jahrhunderten viele Menschen mit diesem Thema und entwickeln Methoden zur Messung der Lichtgeschwindigkeit. Beginnen wir die Geschichte der Reihe nach.
Lichtgeschwindigkeit ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit elektromagnetischer Wellen im Vakuum. Es wird mit dem lateinischen Buchstaben bezeichnet C. Die Lichtgeschwindigkeit beträgt etwa 300.000.000 m/s.
An die Frage der Messung der Lichtgeschwindigkeit dachte zunächst überhaupt niemand. Es gibt Licht - das ist großartig. Dann, im Zeitalter der Antike, dominierte unter den wissenschaftlichen Philosophen die Meinung, dass die Lichtgeschwindigkeit unendlich, dh augenblicklich, sei. Dann war es soweit Mittelalter mit der Inquisition, als die Hauptfrage denkender und fortschrittlicher Menschen die Frage war "Wie komme ich nicht ins Feuer?" Und nur in der Ära Renaissance Und Aufklärung Die Meinungen der Wissenschaftler sind gezüchtet und natürlich gespalten.
Damit, Descartes, Kepler Und Bauernhof waren der gleichen Meinung wie die Wissenschaftler der Antike. Aber er glaubte, dass die Lichtgeschwindigkeit endlich ist, wenn auch sehr hoch. Tatsächlich führte er die erste Messung der Lichtgeschwindigkeit durch. Genauer gesagt, er machte den ersten Versuch, es zu messen.
Galileis Erfahrung
Eine Erfahrung Galileo Galilei war brillant in seiner Einfachheit. Der Wissenschaftler führte ein Experiment zur Messung der Lichtgeschwindigkeit durch, bewaffnet mit einfachen improvisierten Mitteln. In großer und wohlbekannter Entfernung voneinander, auf verschiedenen Hügeln, standen Galileo und sein Gehilfe mit brennenden Laternen. Einer von ihnen öffnete den Fensterladen an der Laterne, und der zweite musste dasselbe tun, als er das Licht der ersten Laterne sah. In Kenntnis der Entfernung und Zeit (die Verzögerung, bevor der Assistent die Laterne öffnet) erwartete Galileo, die Lichtgeschwindigkeit zu berechnen. Leider mussten Galileo und sein Assistent Hügel auswählen, die mehrere Millionen Kilometer voneinander entfernt sind, damit dieses Experiment gelingen konnte. Ich möchte Sie daran erinnern, dass Sie dies tun können, indem Sie einen Antrag auf der Website ausfüllen.
Experimente von Roemer und Bradley
Das erste erfolgreiche und überraschend genaue Experiment zur Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit war die Erfahrung des dänischen Astronomen Olaf Römer. Römer wendete die astronomische Methode zur Messung der Lichtgeschwindigkeit an. 1676 beobachtete er den Jupitermond Io durch ein Teleskop und stellte fest, dass sich die Zeit der Satellitenfinsternis ändert, wenn sich die Erde von Jupiter entfernt. Maximale Zeit Die Verspätung betrug 22 Minuten. Unter der Annahme, dass sich die Erde in einem Abstand vom Durchmesser der Erdbahn vom Jupiter entfernt, teilte Römer den ungefähren Wert des Durchmessers durch die Verzögerungszeit und erhielt einen Wert von 214.000 Kilometern pro Sekunde. Natürlich war eine solche Berechnung sehr grob, die Entfernungen zwischen den Planeten waren nur ungefähr bekannt, aber das Ergebnis stellte sich als relativ nah an der Wahrheit heraus.
Die Bradley-Erfahrung. 1728 James Bradley schätzten die Lichtgeschwindigkeit, indem sie die Aberration von Sternen beobachteten. Abweichung ist eine Änderung der scheinbaren Position eines Sterns, die durch die Bewegung der Erde auf ihrer Umlaufbahn verursacht wird. Bradley kannte die Geschwindigkeit der Erde und maß den Aberrationswinkel und erhielt einen Wert von 301.000 Kilometern pro Sekunde.
Fizeaus Erfahrung
Zum Ergebnis des Experiments von Römer und Bradley, dem damaligen Akademie reagierte ungläubig. Bradleys Ergebnis war jedoch das genaueste seit mehr als hundert Jahren, bis 1849. In diesem Jahr der französische Wissenschaftler Armand Fizeau maß die Lichtgeschwindigkeit mit der rotierenden Shutter-Methode, ohne zu beobachten Himmelskörper sondern hier auf der Erde. Tatsächlich war dies nach Galileo die erste Labormethode zur Messung der Lichtgeschwindigkeit. Unten ist ein Diagramm des Laboraufbaus.
Das vom Spiegel reflektierte Licht passierte die Zähne des Rades und wurde von einem anderen Spiegel in 8,6 Kilometern Entfernung reflektiert. Die Geschwindigkeit des Rades wurde erhöht, bis das Licht in der nächsten Lücke sichtbar war. Fizeaus Berechnungen ergaben ein Ergebnis von 313.000 Kilometern pro Sekunde. Ein Jahr später führte Léon Foucault ein ähnliches Experiment mit einem rotierenden Spiegel durch, der das Ergebnis von 298.000 Kilometern pro Sekunde erhielt.
Mit dem Aufkommen von Masern und Lasern haben die Menschen neue Möglichkeiten und Wege, die Lichtgeschwindigkeit zu messen, und die Entwicklung der Theorie ermöglichte es auch, die Lichtgeschwindigkeit indirekt zu berechnen, ohne direkte Messungen vorzunehmen.
Der genaueste Wert für die Lichtgeschwindigkeit
Die Menschheit hat große Erfahrungen mit der Messung der Lichtgeschwindigkeit gesammelt. Bis heute gilt der Wert als der genaueste Wert der Lichtgeschwindigkeit 299 792 458 Meter pro Sekunde 1983 erhalten. Interessant ist, dass sich eine weitere, genauere Messung der Lichtgeschwindigkeit aufgrund von Messfehlern als unmöglich herausstellte Meter. Jetzt ist der Wert des Messgeräts an die Lichtgeschwindigkeit gebunden und entspricht der Entfernung, die das Licht in 1/299.792.458 Sekunden zurücklegt.
Abschließend empfehlen wir wie immer, sich ein informatives Video anzusehen. Freunde, auch wenn Sie vor der Aufgabe stehen, die Lichtgeschwindigkeit mit improvisierten Mitteln unabhängig zu messen, können Sie sich sicher an unsere Autoren wenden, um Hilfe zu erhalten. Sie können einen Antrag auf der Website der Korrespondenz ausfüllen. Wir wünschen Ihnen ein angenehmes und leichtes Studium!
Die Lichtgeschwindigkeit - absoluter Wert Ausbreitungsgeschwindigkeit elektromagnetischer Wellen im Vakuum. In der Physik wird es traditionell mit dem lateinischen Buchstaben „c“ (ausgesprochen als [tse]) bezeichnet. Die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum ist eine fundamentale Konstante, unabhängig von der Wahl Trägheitssystem Referenz (ISO). Es bezieht sich auf die grundlegenden physikalischen Konstanten, die nicht nur einzelne Körper, sondern die Eigenschaften der Raumzeit als Ganzes charakterisieren. Nach modernen Konzepten ist die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum die Grenzgeschwindigkeit von Teilchen und der Ausbreitung von Wechselwirkungen. Wichtig ist auch, dass dieser Wert absolut ist. Dies ist eines der Postulate der SRT.
In einem Vakuum (Leere)
1977 war es möglich, die ungefähre Lichtgeschwindigkeit von 299.792.458 ± 1,2 m / s zu berechnen, berechnet auf der Grundlage eines Referenzmessers von 1960. Auf der dieser Moment Bedenken Sie, dass die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum eine fundamentale physikalische Konstante ist, per Definition genau gleich 299.792.458 m/s oder ungefähr 1.079.252.848,8 km/h. Der exakte Wert ergibt sich aus der Tatsache, dass seit 1983 die Einheit des Meters als die Entfernung genommen wird, die Licht im Vakuum in einem Zeitintervall von 1/299.792.458 Sekunde zurücklegt. Die Lichtgeschwindigkeit wird mit dem Buchstaben c bezeichnet.
Michelsons grundlegende Erfahrung für SRT zeigte, dass die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum weder von der Geschwindigkeit der Lichtquelle noch von der Geschwindigkeit des Beobachters abhängt. In der Natur breitet sich die Lichtgeschwindigkeit aus:
tatsächlich sichtbares Licht
andere Arten elektromagnetischer Strahlung (Funkwellen, Röntgenstrahlen usw.)
Aus der speziellen Relativitätstheorie folgt, dass die Beschleunigung von Teilchen mit Ruhemasse auf Lichtgeschwindigkeit unmöglich ist, da dieses Ereignis das grundlegende Prinzip der Kausalität verletzen würde. Das heißt, die Überschreitung der Lichtgeschwindigkeit durch das Signal oder die Massenbewegung mit einer solchen Geschwindigkeit ist ausgeschlossen. Die Theorie schließt jedoch die Bewegung von Teilchen in der Raumzeit mit Überlichtgeschwindigkeit nicht aus. Hypothetische Teilchen, die sich mit Überlichtgeschwindigkeit bewegen, werden Tachyonen genannt. Mathematisch passen Tachyonen problemlos in die Lorentz-Transformation – das sind Teilchen mit imaginärer Masse. Je höher die Geschwindigkeit dieser Teilchen, desto weniger Energie tragen sie und umgekehrt, je näher ihre Geschwindigkeit an der Lichtgeschwindigkeit liegt, desto größer ist ihre Energie – genau wie die Energie gewöhnlicher Teilchen, tendiert die Energie von Tachyonen gegen unendlich, wenn nähert sich der Lichtgeschwindigkeit. Dies ist die offensichtlichste Folge der Lorentz-Transformation, die es dem Teilchen nicht erlaubt, auf Lichtgeschwindigkeit zu beschleunigen - es ist einfach unmöglich, dem Teilchen unendlich viel Energie zu geben. Es sollte verstanden werden, dass erstens Tachyonen eine Klasse von Teilchen sind und nicht nur eine Art von Teilchen, und zweitens sich keine physikalische Wechselwirkung schneller als mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten kann. Daraus folgt, dass Tachyonen das Kausalitätsprinzip nicht verletzen - sie interagieren in keiner Weise mit gewöhnlichen Teilchen, und der Unterschied zwischen ihren Geschwindigkeiten kann auch nicht gleich der Lichtgeschwindigkeit sein.
Gewöhnliche Teilchen, die sich langsamer als Licht bewegen, werden Tardyons genannt. Tardionen können Lichtgeschwindigkeit nicht erreichen, sondern sich ihr nur beliebig nahen, da ihre Energie in diesem Fall unendlich groß wird. Alle Tardionen haben eine Ruhemasse, im Gegensatz zu masselosen Photonen und Gravitonen, die sich immer mit Lichtgeschwindigkeit bewegen.
In Planck-Einheiten ist die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum 1, d. h. Licht legt 1 Planck-Längeneinheit pro Planck-Zeiteinheit zurück.
In einem transparenten Umfeld
Die Lichtgeschwindigkeit in einem transparenten Medium ist die Geschwindigkeit, mit der sich Licht in einem anderen Medium als Vakuum ausbreitet. In einem Medium mit Dispersion werden Phasen- und Gruppengeschwindigkeit unterschieden.
Die Phasengeschwindigkeit bezieht sich auf die Frequenz und Wellenlänge von monochromatischem Licht in einem Medium (λ=c/ν). Diese Geschwindigkeit ist normalerweise (aber nicht notwendigerweise) kleiner als c. Das Verhältnis der Phasenlichtgeschwindigkeit im Vakuum zur Lichtgeschwindigkeit in einem Medium wird Brechungsindex des Mediums genannt. Die Gruppenlichtgeschwindigkeit in einem Gleichgewichtsmedium ist immer kleiner als c. In Nichtgleichgewichtsmedien kann sie jedoch c überschreiten. In diesem Fall bewegt sich die Vorderflanke des Impulses jedoch immer noch mit einer Geschwindigkeit, die die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum nicht übersteigt.
Armand Hippolyte Louis Fizeau hat durch Erfahrung bewiesen, dass die Bewegung eines Mediums relativ zu einem Lichtstrahl auch die Lichtausbreitungsgeschwindigkeit in diesem Medium beeinflussen kann.
Ablehnung des Postulats über die maximale Lichtgeschwindigkeit
IN letzten Jahren Es gibt oft Berichte, dass in den sog Quantenteleportation Wechselwirkung breitet sich schneller als die Lichtgeschwindigkeit aus. Zum Beispiel 15. August 2008 Forschungsgruppe Dr. Nicolas Gisin von der Universität Genf hat bei der Untersuchung gebundener Photonenzustände, die 18 km im Weltraum voneinander entfernt sind, angeblich gezeigt, dass "die Wechselwirkung zwischen Teilchen mit einer Geschwindigkeit von etwa hunderttausendfacher Lichtgeschwindigkeit erfolgt". Auch das sogenannte Hartmannsche Paradoxon – Überlichtgeschwindigkeit im Tunneleffekt – wurde bereits angesprochen.
Die wissenschaftliche Analyse der Bedeutung dieser und ähnlicher Ergebnisse zeigt, dass sie im Prinzip nicht für die superluminale Übertragung von Signalen oder Materiebewegungen verwendet werden können.
Geschichte der Messungen der Lichtgeschwindigkeit
Alte Wissenschaftler hielten die Lichtgeschwindigkeit mit seltenen Ausnahmen für unendlich. In der Neuzeit wurde diese Frage zum Diskussionsthema. Galileo und Hooke gingen davon aus, dass es endlich sei, obwohl es sehr groß sei, während Kepler, Descartes und Fermat immer noch die Unendlichkeit der Lichtgeschwindigkeit verteidigten.
Die erste Abschätzung der Lichtgeschwindigkeit erfolgte durch Olaf Römer (1676). Er bemerkte das, wenn Erde und Jupiter drin sind verschiedene Seiten von der Sonne sind die Finsternisse des Jupitermondes Io gegenüber den Berechnungen um 22 Minuten verzögert. Daraus erhielt er einen Wert für die Lichtgeschwindigkeit von etwa 220.000 km/sec – ungenau, aber nahe am wahren Wert. Ein halbes Jahrhundert später ermöglichte die Entdeckung der Aberration, die Endlichkeit der Lichtgeschwindigkeit zu bestätigen und ihre Schätzung zu verfeinern.
