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21. August 2017

Lichtgrenze


Lichtgrenze ist das Wort des Jahres 2014. Das trifft sich gut, denn 2015 beginnt das internationale Jahr des Lichts. Anlass genug, ein bisschen über die physikalischen Grenzen, die uns das Licht auferlegt nachzudenken.

Als erstes denke ich bei Lichtgrenze1 an die Relativitätstheorie, aber wischen wir die mal beiseite und bleiben erstmal bei der newtonschen Physik. Einer Physik in der es keine maximale Geschwindigkeit gibt aber eine begrenzte Lichtgeschwindigkeit im Vakuum. Aus den Maxwell-Gleichungen und seinem Wellencharakter folgt direkt, dass sich Licht immer gleich schnell bewegt. Unabhängig von der Geschwindigkeit der Quelle. Nur die Wellengeschwindigkeit im Medium und der Zustand des Mediums selbst können die Geschwindigkeit des Lichts beeinflussen.

Die unbeeinflussbare Lichtgeschwindigkeit setzt eine Grenze des Sichtbaren. Wir können nur das sehen, dessen Licht jetzt gerade unser Auge erreicht. Die Uhr an der Wand sehe ich gerade jetzt, die Lichtlaufzeit ist vernachlässigbar gegenüber der Bewegung der Zeiger. Den Mond sehen wir vor einer Sekunde, die Sonne vor acht Minuten, den nächsten Stern vor vier Jahren, den hellsten vor acht. Die Andromedagalaxie sehen wir, wie sie vor zweieinhalb Millionen Jahren war.

So weit, so trivial. Aber Lichtgeschwindigkeit setzt auch klassisch Grenzen für die Geschwindigkeit von Raumschiffen. So wie von einem Überschallflugzeug kein Schall nach vorne ausgeht – wir können es nicht hören, bevor es an uns vorbei ist – so geht von einem überlichtschnellen Raumschiff kein Licht nach vorne aus. Es ist nicht zu sehen, bevor es da ist. Auch bleibt eine Hälfte des Universums für ein überlichtschnelles Raumschiff schwarz. Signale von hinten können solch ein Raumschiff nicht erreichen. Die Kommunikation mit der Erde oder auch mit einem im selben Verband hinterher fliegenden Raumschiff reißt mit Durchbrechen der Lichtgrenze ab.

In einem Überschallflugzeug sind die Gesetze des Schalls innerhalb des Flugzeugs unverändert. Die gesamte Luft wird mit dem Flugzeug mitgeführt, so dass die Besatzung sich durch Schallwellen in der mitreisenden Luft problemlos verständigen kann.2 Das ist bei Licht anders. Licht wird von Materie nicht vollständig mitgeführt. Licht und elektrische Signale würden in einem überlichtschnellen Raumschiff nicht gleich schnell nach vorne wie nach hinten weitergeleitet. Bei hohen Geschwindigkeiten würde auch die Kommunikation an Bord eines Überlichtschiffes nicht mehr funktionieren. Die Eigenarten des Lichts setzen der Raumfahrt eine Grenze. Ganz ohne die Relativitätstheorie bemühen zu müssen.

Ich bin in meiner Beschäftigung mit Kritikern der Relativitätstheorie einem begegnet, für den interstellare Raumfahrt das Motiv war. Er wollte sich nicht mit einer Weit abfinden, die es praktisch unmöglich macht, unsere Nachbarsterne zu besuchen. Dieses Motiv ist mir sehr sympathisch. Leider ist aber auch die klassische Physik keine Lösung. Wegen der Lichtgrenze und wegen des enormen Energiebedarfs für die Beschleunigung im Weltraum.

Tatsächlich ist die Relativitätstheorie eher eine Rettung. Sie garantiert uns, dass in einem Raumschiff alles funktioniert. Unabhängig von seiner Geschwindigkeit sind die physikalischen Gesetze immer gleich. Licht und elektrische Signale laufen gleich schnell von Bug nach Heck wie zurück. Leider kommt das mit dem Preis, dass die Lichtgeschwindigkeit eine harte Grenze ist und dass die Zeit langsamer vergeht, je schneller wir sind. Könnten wir das Energieproblem lösen, so könnten Raumfahrer_innen in einer Lebensspanne einen Nachbarstern erreichen. Auf der Erde würden in der Zeit aber viele Jahre vergehen. Sie könnten nicht mehr zu den Menschen zurückkehren, die sie verlassen haben. Auch das ist eine Grenze, die uns das Licht setzt.

(Mehr in: Quantenwelt)

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About admin

Der Naturwissenschaftler Dipl.-Math. Klaus-Dieter Sedlacek, Jahrgang 1948, studierte in Stuttgart neben Mathematik und Informatik auch Physik. Nach fünfundzwanzig Jahren Berufspraxis in der eigenen Firma widmet er sich nun seinen privaten Forschungsvorhaben und veröffentlicht die Ergebnisse in allgemein verständlicher Form. Darüber hinaus ist er der Herausgeber mehrerer Buchreihen unter anderem der Reihen „Wissenschaftliche Bibliothek“ und „Wissenschaft gemeinverständlich“.