so schnell es geht
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IW 194-215 BON.qxd 194 28.03.2008 10:48 Uhr Seite 194 So schnell es geht So schnell es geht 195 Warum ist eine Geschwindigkeit so wichtig? Man glaubte einst, die Schallgeschwindigkeit sei eine undurchdringbare Grenze, aber bald wurde Zahlen sind wie Säulen, sie tragen unser Universum und geben ihm die richtige Form. Wenn nicht 3,14159… wäre, hätten alle Kreise und Kurven im Universum eine andere Form. Hätte nicht den Wert 1,61803…, dann sähen alle geometrischen Figuren, Verhältnisse und Kurven anders aus. Wäre e nicht 2,71828…, gäbe es ganz andere Beziehungen zwischen Ort, Geschwindigkeit und Beschleunigung. Diese Zahlen sind so untrennbar mit unserem Universum verbunden wie Raum und Zeit. Doch sie sind nicht die einzigen. man eines Besseren belehrt. Die Schallgeschwindigkeit in Luft beträgt (bei 15 °C) etwa 340 Meter pro Sekunde (rund 1224 km/h), der genaue Wert hängt von der Lufttemperatur ab (in wärmerer Luft geht es schneller). Heute weiß man, dass man schneller als mit Schallgeschwindigkeit reisen kann. Fliegt ein Düsenflugzeug so schnell, hören müsste uns doch auf 1,1 Milliarden Kilometer pro wir nur einen Überschallknall (verursacht von der Stunde beschleunigen können – und wenn das Druckwelle des Flugzeugs). Befindet man sich am nicht reicht, wie wäre es mit einer Rakete mit der Boden, scheint der Düsenlärm immer von einem Kraft von einer Million Sonnen? Punkt zu kommen, der weit hinter dem Ort liegt, Es mag überraschen, aber wir können es nicht. an dem man das Flugzeug wahrnimmt (weil Licht Egal wie leistungsstark die Rakete ist, egal wie schneller ist als der Schall, d. h. man sieht das stark wir beschleunigen, wir können uns niemals Ereignis sehr viel eher, als man es hört). schneller als mit Lichtgeschwindigkeit bewegen. Wenn man aber schneller als der Schall sein Unser Universum hat ein Tempolimit, über das kann, dann müsste man doch auch schneller als nichts und niemand hinauskommt. Die Lichtge- das Licht sein können. Zwar ist das Licht sehr viel schwindigkeit ist die absolute Obergrenze. Es schneller als der Schall – 299 792 458 Meter pro brauchte ein Genie wie Albert Einstein, um das Sekunde (1079 252 848,8 km/h). Aber mit einem Warum zu begreifen, doch zuvor musste man erst Triebwerk an einem Flugzeug oder Raumschiff, die Lichtgeschwindigkeit selbst verstehen. das leistungsstark genug ist, müssten wir doch soweit beschleunigen können, bis wir eine noch größere Geschwindigkeit erreicht haben. Oder etwa nicht? Eine Rakete mit der Kraft der Sonne c erkennen Jahrtausendelang hielt man schon die Vorstellung SO SCHNELL ES GEHT KAPITEL c Es gibt eine Zahl, die so wichtig von einer begrenzten Lichtgeschwindigkeit für absurd. Von Aristoteles bis Kepler und Descartes glaubte man, das Licht treffe unverzüglich ein. Galileo (der die ersten Teleskope verwendete, um den Nachthimmel zu untersuchen) führte als Erster ein Experiment durch, mit dem man die ist, dass sie unsere ganze Weltsicht Geschwindigkeit des Lichts sollte bestimmen veränderte. Es ist c, die Lichtge- können. Er und sein Assistent nahmen zwei verschlossene Lampen. Galileo deckte seine Lampe schwindigkeit im Vakuum. auf, und der Assistent sollte seine Lampe in dem Moment enthüllen, wenn er das Licht aus Galileos Lampe sah. Solange sie nahe beieinander standen, konnten sie die Verzögerung auf die mensch- IW 194-215 BON.qxd 196 28.03.2008 10:48 Uhr Seite 196 So schnell es geht So schnell es geht 197 schnell aus, als dass man die Verzögerung mit Galileos Idee dingfest machen konnte. Bei seinem Versuch mit den Lampen auf zwei Bergen konnte er keinen Unterschied zu dem Versuch erkennen, bei dem sie nebeneinander standen. Er schloss daraus, das Licht müsse mindestens zehnmal schneller sein als der Schall, aber er hatte keine Vorstellung, wie schnell es wirklich war. Erst 50 Jahre später, im Jahr 1676, gelang es dem Astronom Ole Rømer die Lichtgeschwindigkeit zu berechnen. Rømer wurde 1644 im dänischen Århus geboren. Er studierte an der Kopenhagener Universität bei Rasmus Bartholin (einem Wissenschaftler, der die Lichtbrechung unter- Oben: Durch seine Beobachtung suchte) und erhielt anschließend eine Stellung am des Jupitermonds Io konnte Pariser Observatorium, wo er die Planeten und Rømer die Lichtgeschwindigkeit recht genau berechnen. ihre Monde beobachten sollte. Rømer studierte dabei die Bewegung von Io, einem Jupitermond. Er konnte erkennen, dass Io zwischen der Erde und dem Paar Jupiter und Io den Jupiter in etwa 42,5 Stunden umkreiste. Doch den zeitlichen Ablauf des Io-Umlaufs. Der Unter- es gab eine seltsame Abweichung in seinen Beob- schied betrug zwar nur wenige Minuten, doch achtungen. Wenn Jupiter und Io am weitesten von Rømer konnte ihn sogar mit seinen einfachen Tele- der Erde entfernt waren, schien Io etwas länger zu skopen und Logarithmentabellen feststellen. Oben: Galileo Galilei vor man einen Zeitunterschied messen können (der brauchen, um aus dem Schatten von Jupiter auf- Die Änderung des Abstands zwischen Jupiter der Inquisition (1633). Assistent musste warten, bis das Licht aus Gali- zutauchen. Waren Jupiter und Io der Erde näher, und Erde überraschte nicht. Seit Kepler weiß man, leos Lampe ihn erreichte, und Galileo wartete schien Io etwas früher aus dem Schatten heraus- dass sich ein Planet, der weit von der Sonne ent- darauf, dass das Licht aus der Lampe seines zutreten. Offenbar beeinflusste die Entfernung fernt ist, langsamer bewegt. Da die Erde näher an Assistenten zu ihm zurückkam). Bei derselben der Sonne liegt, legt Jupiter bei einem Umlauf der liche Reaktionszeit schieben. Daher positionierten Versuchsanordnung mit Schall – Galileo schoss mit Erde um die Sonne nur einen Bruchteil seines sie sich auf zwei auseinanderliegenden Hügeln einem Gewehr in die Luft, der Assistent schoss eigenen Sonnenumlaufs zurück. Wie ein schneller und wiederholten das Experiment: Galileo deckte seinerseits, sobald er den Schuss hörte – kann es Rennwagen, der auf der Innenbahn überholt, be- seine Lampe auf und wartete auf das Licht aus der je nach Entfernung tatsächlich zu einer Verzöge- findet sich die Erde manchmal »in der Nähe« von Lampe seines Assistenten. Wenn sich das Licht rung von mehreren Sekunden kommen. Doch das Jupiter und manchmal auf der entgegengesetzten ähnlich ausbreitete wie der Schall, dann müsste Licht breitet sich, wie vorausgesehen, viel zu Seite von dessen Umlaufbahn. IW 194-215 BON.qxd 198 28.03.2008 10:48 Uhr Seite 198 So schnell es geht So schnell es geht 199 670,616,629.384 keit. Trotz des kleinen Irrtums lieferte Rømer als gen und wurde bald zum Fellow der Royal Society erster Wissenschaftler konkrete Beweise, dass gewählt. Bradley entschied sich jedoch nicht für das Licht sich nicht unmittelbar ausbreitet. die Astronomie, sondern für eine kirchliche Lauf- Rømer kehrte 1681 nach Kopenhagen zurück und wurde Direktor der Sternwarte. Zu seinen ordiniert. In seiner Freizeit beobachtete er weiter- Leistungen gehört die Erfindung des Meridian- hin den Mars und die Jupitermonde. 1721 wurde kreises und anderer Instrumente, mit denen man ihm ein Lehrstuhl für Astronomie in Oxford ange- Teleskope genau ausrichten kann. Er arbeitete das boten, worauf er den kirchlichen Dienst quittierte. erste standardisierte Gewichts- und Maßsystem In den nächsten Jahren arbeitete er an den Obser- aus und engagierte sich für die Einführung des vatorien von Kew und Wanstead und stieß dort gregorianischen Kalenders in Dänemark. 1705 auf etwas Merkwürdiges, das er die »Aberration wurde Rømer Bürgermeister von Kopenhagen des Lichts« nannte. sowie Leiter der Polizei. Er verbesserte die Lage Rechts: Der dänische Astronom Ole Rømer bestimmt mit dem Meridiankreis die Sternpositionen (Radierung). Rømer wusste, dass die Erde Io nicht direkt bahn der Erde zu queren, und konnte so vorher- bahn und wurde 1719 als Pfarrer von Bridstow Jeder hat schon eine Aberration (Abweichung) der Armen und Prostituierten, führte eine öffent- erlebt, ohne es zu wissen. Sitzt man beispiels- liche Wasserversorgung ein und erfand sogar die weise im Auto oder im Zug und es regnet, was erste Straßenbeleuchtung in Kopenhagen, indem geschieht dann mit dem Regen? Wenn es wind- er Öllampen aufstellen ließ. 1708, zwei Jahre vor still ist und man sich nicht bewegt, dann sieht seinem Tod, stellte er dem deutschen Physiker man im Seitenfenster, wie der Regen senkrecht Daniel Fahrenheit sein Thermometer vor. Ergebnis herabfällt. Fährt man aber los und bewegt sich dieser Begegnung war eine Temperaturskala, die damit in Richtung der fallenden Tröpfchen, so noch heute in Verwendung ist. scheint, aus der eigenen Perspektive betrachtet, Trotz seines späteren Ruhms wurden Rømers der Regen in einem bestimmten Winkel zu einem beeinflussen konnte – dafür kam sie Io nie nah sagen, mit welcher Verzögerung Io erscheinen Arbeiten zur Lichtgeschwindigkeit nicht anerkannt, selbst zu fallen – die Regentropfen laufen auf dem genug. Die einzige andere denkbare Möglichkeit würde. Allerdings machte er bei der Rechnung wobei in den folgenden Jahrzehnte erhitzte Debat- Seitenfenster schräg nach unten. Je schneller man war, dass seine Beobachtung vom Abstand ab- einen Fehler – das Licht braucht für diese Strecke ten darüber geführt wurden. Erst James Bradley fährt, desto schräger scheint der Regen zu fallen hing. Wenn das Licht eine bestimmte Geschwin- nur 17 Minuten; Rømer kam damit auf einen sollte die Angelegenheit 1728 lösen. oder herunterzulaufen. Gerät man mit dem Fahr- digkeit hat, dann musste der zusätzliche Abstand, etwas zu kleinen Wert für die Lichtgeschwindig- Bradley wurde 1693 im englischen Sherborne rad in den Regen, dann spürt man die Wirkung den es gab, wenn Erde und Jupiter weit auseinan- geboren. Großen Einfluss auf seine Entwicklung unmittelbar: Solange man sich nicht bewegt, fällt der waren, eine Verzögerung verursachen. Es hatte sein Onkel James Pound, der Pfarrer und der Regen senkrecht auf das Regencape. Doch müsste dann einige Minuten dauern, bis das Licht Astronom war. Bradley half Pound bei dessen sobald man fährt, fährt man in die fallenden Tröpf- die Erde erreichte. Rømer berechnete, dass das Beobachtungen im Pfarrhaus von Wanstead. Mit chen hinein. Je schneller man radelt, desto mehr Licht etwa 22 Minuten brauchte, um die Umlauf- 25 Jahren veröffentlichte er eigene Untersuchun- Wasser bekommt man ins Gesicht. IW 194-215 BON.qxd 200 28.03.2008 10:48 Uhr Seite 200 So schnell es geht So schnell es geht 201 Bradley war klar, dass sich die Erde, die um die nen Ellipsen bewegten – das würde wiederum Sonne kreist, im Vergleich zu den Sternen um uns bedeuten, dass alle Sterne gleich weit von uns herum ungeheuer schnell bewegt. Er untersuchte, entfernt sind! Das war eindeutig falsch, und ob sich die Positionen der näher gelegenen Sterne Bradley konnte das Ergebnis bald erklären. Die schneller zu bewegen scheinen als die Positionen Parallaxe der Sterne war zu klein, um sie wahr- der weiter entfernten Sterne. Er führte mehrere zunehmen (erst später konnten die Astronomen Jahre lang peinlich genaue Messungen durch, um sie messen und damit die Entfernung zu den Licht beobachtet, das auf die um die Sonne krei- zu sehen, ob er die Parallaxe der Sterne feststellen Sternen bestimmen). Bradleys Ellipsen wurden sende Erde fällt. Demnach musste sich das Licht könnte. Seine Ergebnisse waren anfangs sehr ver- von der Aberration des Lichts, nicht von der Stern- mit einer endlichen Geschwindigkeit ausbreiten, wirrend. Es schien, als ob alle Sterne sich auf klei- parallaxe verursacht. Bradley glaubte, er habe denselben Effekt an wie Rømer behauptete. Wenn man nun wusste, wie schnell die Erde um die Sonne kreist, und Die Aberration des Lichts wenn man den scheinbaren Winkel zur Erde kannte, dann musste man die Lichtgeschwindig- Beobachter sich bewegt, scheint der Lichtstrahl keit berechnen können, in Richtung des Beobachters abgewinkelt zu Aber die Aberration des Lichts zu entdecken, sein. Er sieht den Stern also am Ort S’ und nicht ist nicht so einfach wie der Blick an einem Regen- an seinem wahren Ort S. tag aus dem Zugfenster. Das Licht ist etwa 18 Millionen Mal schneller als der fallende Regen. Fährt Eine ähnliche Verzerrung von Ort und Größe man im Zug, schein auch das Licht leicht schräg verursacht die Lichtbrechung bei Objekten unter auf dem Boden aufzutreffen. Aber der Winkel ist Wasser. Entsprechend verzerrt die Geschwindig- etwa 18 Millionen Mal kleiner als der Winkel, in keit eines Beobachters, wenn er sich nur schnell dem der Regen zu Boden fällt (eine winziger genug bewegt, die scheinbare Position von ent- Bruchteil eines Grads), sodass man ihn kaum fernten Objekten wie den Sternen. nachweisen kann. Bradley entdeckte durch einen Oben: Porträt von James Bradley, dessen Beobachtungen der Parallaxe zur Entdeckung der Lichtaberration führten. reinen Zufall die Aberration des Lichts, als er einen Die Linie SE stellt das Licht vom Stern S zur völlig anderen Effekt untersuchte, die Parallaxe. Erde E dar, ihre Länge ist durch die Lichtge- Jeder von uns hat auch die Parallaxe schon schwindigkeit bestimmt. Unsere Bewegung erlebt, ohne es zu wissen. Wieder dasselbe Sze- von E nach E’ bewirkt, dass der Lichtstrahl nario: Man sitzt im Zug und schaut aus dem Fens- Die Aberration des Lichts gehorcht demselben scheinbar der Linie S’E folgt. Der Stern scheint ter. Brücken und Bahnhöfe hasten als verschwom- Prinzip, wie wenn man in einem fahrenden Zug durch die Aberration des Lichts um den Winkel mene Flecke vorüber. Weiter entfernte Häuser und die Regentropfen schräg fallen sieht. Die Erde SES’ von seinem wahren Ort verschoben zu Bäume sind langsamer. Und die sehr weit entfern- umkreist mit einer Geschwindigkeit von rund sein. Weil Bradley sehr genau gemessen hatte, ten Wolken am Himmel bewegen sich kaum. Das 107 000 km/h die Sonne. Wenn die Erde sich jetzt konnte der die entstehenden Winkel erkennen. ist die Parallaxe – die Illusion, Objekte würden sich am Ort E im Raum befindet und eine Stunde Und weil er die Bahngeschwindigkeit der Erde aufgrund einer Bewegung des Beobachters be- später am Ort E’ und ein Beobachter das Tele- um die Sonne kannte, konnte er so die Licht- wegen. Keines der scheinbar bewegten Objekte skop auf einen Stern am Ort S ausrichtet, dann geschwindigkeit berechnen. Seine Schätzung bewegt sich wirklich. Der Beobachter im Zug sieht er den Stern nicht an der Stelle, wo er wirk- lag bei 301 000 000 Meter pro Sekunde – bemer- bewegt sich. Und weil die Brücken näher liegen lich ist. Weil das Licht von S aus einige Minuten kenswert nah am wahren Wert von 299 792 458 als die Wolken, sind die Brücken scheinbar sehr braucht, um die Erde zu erreichen und weil der Metern pro Sekunde. schnell, während sich die Wolken kaum bewegen. IW 194-215 BON.qxd 202 28.03.2008 10:48 Uhr Seite 202 So schnell es geht So schnell es geht 203 Bradley durchlief eine glanzvolle Karriere in der Astronomie. 1742 wurde er zum königlichen Astronomen ernannt und forschte weiter über die Aberration des Lichts. Über mehrere Jahre suchte er nach eindeutigen Beweisen für die Nutation der Erde (ein leichtes Wackeln der Erdachse aufgrund der Anziehungskraft des Mondes). Spätere Astronomen entwickelten zahlreiche des Apollo-Programms brachten Astronauten einen Spiegel auf den Mond, den man mit einem neue Methoden zur Messung der Lichtgeschwin- Laserstrahl anleuchten kann, um dann die Zeit zu digkeit, doch erst nach 200 Jahren wurde Bradleys messen, bis das Licht zurück auf der Erde ist. Wert verbessert. Zu den heutigen Messmethoden Heute muss man die Lichtgeschwindigkeit nicht gehört auch der Einsatz von Lasern. Im Rahmen mehr messen, sie ist definiert. Mit ihr legt man den Meter und andere Maßeinheiten fest (siehe Unten: Die Aberration des Kapitel 10). Damit bleibt die »offizielle« Vakuum- Lichts lässt sich mit der Art und lichtgeschwindigkeit (auch als »c« bezeichnet) Weise vergleichen, wie Regen schräg am Fenster eines fahrenden Zugs herabläuft. bei ihrem heutigen Wert, unabhängig von der Entwicklung der Messmethoden. Oben: Im Rahmen des ApolloProgramms setzen Astronauten Sehen ist nicht Hören 1969 einen Reflektor auf der Mondoberfläche ab. Licht hat viele merkwürdige Eigenschaften, die auf den ersten Blick dem gesunden Menschenverstand zu widersprechen scheinen. Eine davon betrifft das Relativitätsprinzip. (Das mag nach etwas obskurer Physik klingen, aber die Grundidee ist nicht sehr kompliziert.) Wieder ein Beispiel: Ein Autofahrer fährt mit 100 km/h auf der Autobahn, jemand kommt ihm entgegen, ebenfalls mit 100 km/h. Aus der Perspektive des ersten Fahrers hat das andere Auto relativ zu ihm eine
