Warum (!) ist Licht für jeden Beobachter gleich schnell?
Dass es so ist, weiß ich. Das hat A. Einstein herausgefunden, und die Konsequenzen aus dieser Tatsache, dass Raum und Zeit keine absoluten sondern relative Größen sind, daraus hergeleitet.
Aber warum (!) ist das Licht für jeden beliebig bewegten Beobachter gleich schnell? Wurde das auch schon ergründet?
Wenn ja, kann man das so erklären, dass es auch der Normalbürger versteht?
2009-07-05T08:12:42Z
@Kapaun: Wenn es einen natürlichen logischen Grund gibt, warum es so ist, und wenn wir diesen kennen, dann kann muss er auch ohne Formeln verständlich beschrieben werden können. Das ist meine feste Überzeugung!
2009-07-05T17:32:26Z
Nochmal @Kapaun (und alle): Gibt es eine Begründung dafür, oder gibt es keine? Dass es einfach festgestellt wurde ist ja noch keine Begründung.
Wenn man feststellt, dass ein Auto bei Windstille auf der Ebene maximal 160 km/h fährt, dann weiß man auch noch nicht warum. Aber den Grund dafür kann man erforschen und beschreiben: Der Rollwiderstand der Räder in Verbindung mit der Leistung des Motors und der Übersetzung der Kraftübertragung, usw.
Es geht mir also nicht darum, wie man es feststellte, oder feststellen kann, dass Licht für jeden Beobachter gleich schnell ist, auch nicht, wie man berechnen kann, was aus dieser Tatsache für Raum und Zeit notwendigerweise folgert, sondern ob man den Grund kennt, WARUM Licht für alle Beobachter gleich schnell ist.
Oder ist der Grund dafür einfach der, dass Raum und Zeit eben nicht absolut, sonder relativ sind, und zwar so, wie sie es sind (das wäre ja einfach formulierbar)?
2009-07-06T08:39:13Z
@1/i = -i: Vielen Dank für deine ausführliche Antwort. Leider ergibt sich daraus auch wieder nur, DASS es so ist, nicht aber, WARUM es so ist (und sein muss). Durch WAS es dazu kommt.
2009-07-06T19:53:37Z
@P4: Danke auch Dir für die interessante und gut formulierte, sowie ergiebige Antwort. Das eigentliche "Warum" bleibt aber auch hier unerklärt. Du beschreibst, wie man die LG und deren Unabhängigkeit vom Betrachter feststellte, sowohl theoretisch, als auch im realen Experiment. Meine Frage war aber eine andere. Kennen wir den Grund, warum elektromagnetische Wellen diese Eigenschaften haben? Und sie haben sie sicher nicht, weil es die maxwellschen Gleichungen gibt, denn sie hatten sie schon vor dem guten Maxwell.
Mein Fazit: Die grundlegenden Naturgesetze können nur dahingehend entdeckt und erforscht werden, wie sie sind, nicht aber warum sie so sind, wie sie sind. Diese Antwort zu geben hat sich keiner von den Antwortern getraut. Wer dem widersprechen möchte, hat noch Zeit, bis die Zeit für die Beantwortung der Frage abgelaufen ist. Danach wird die Frage mangels zutreffender Antwort gelöscht (falls keine zutreffende Antwort oder Ergändung mehr kommt).
2009-07-07T20:24:49Z
@Bimbo-Galaxis: Du bist der erste, der meine ursprüngliche Frage beantwortete, und das auch noch verständlich! :) Allerdings sagt Deine Antwort, dass Licht nicht aus Photonen besteht, die von der Lichtquelle ausgesendet werden, und die dann mit LG von der Lichtquelle weg fliegen, sondern dass die Lichtquelle ein uns noch unbekanntes Medium zum Schwingen anregt.
Dies entspricht nicht meinem Stand des Allgemeinwissens, und es wird Thema einer weiteren Frage bei Yahoo-Clever sein.
Wenn es aber so ist, dann beantwortet es in der Tat meine Frage, und der Vergleich mit der sich bewegenden Schallquelle, deren Bewegung lediglich die Frequenz der Schallwellen ändert, nicht aber deren Ausbreitungs-Geschwindigkeitl, ist einfach super, denn so kann dieses Mysterium verstanden werden, warum Licht für alle Bezugsysteme immer gleich schnell ist!
@P4: Du hast meine Frage von Anfang an nicht beantwortet. Ich fragte nie danach, warum Licht die LG hat.
Anonym2009-07-07T12:31:00Z
Beste Antwort
Ein interessantes Thema und auch sicherlich nicht mit einen Wort zu beantworten.
Der Grund warum alle so genannten Elektromagnetischen - Wellen und dazu gehören auch die, die wir einfach Licht nennen immer die gleiche Ausbreitungsgeschwindigkeit haben und auch nicht schneller oder langsamer sein können ist in der Zusammensetzung des Mediums zu suchen das diese Wellen bildet.
Wellen können immer nur dann entstehen wenn es ein „Medium“ gibt. Wo das absolute nichts ist da können sich auch keine Wellen bilden und auch keine Kräfte wirken.
Wenn sich eine Schallquelle bewegt, ändert sich die Schallgeschwindigkeit so weit ich weiß auch nicht.
Wenn sich eine Lampe bewegt ändert sich die Lichtgeschwindigkeit auch nicht weil eine Lampe nur ein uns noch unbekanntes „Medium“ zum schwingen anregt aber keine Photonen erzeugt und diese dann mit 300000 km/s in das Umfeld fliegen lässt.
Was sich ändern muss wenn der "Schwingungserreger" bewegt wird, das ist immer nur die Frequenz, sonst gäbe es kein Dopplereffekt.
Wenn meine unwissenschaftliche Antwort dich etwas weiter bring ist es gut, wenn nicht auch gut. Ich befasse mich schon sehr lange mit dem Empfang, der Erzeugung und der Aussendung von elektromagnetischen Wellen und meine doch etwas davon zu verstehen. Das Universum kocht auch nur mit Wasser.
Ich lass das einfach mal so stehen ohne weiter darauf einzugehen.
Das Medium mit dem das Licht interagiert, sind die Energieknoten des Raums(siehe Artikel Schleifenquantengravitation in Wikipedia). Der Raum ist ein Energieknotennetzwerk. Jedes weitere Medium hat eine typische Interaktion mit Licht. Die Lichtgeschwindigkeit ist etwas unterschiedlich in Luft und Wasser. Wenn also ein Beobachter ein näherkommendes Schiff aus fünfzig Metern Entfernung Luftlinie sieht, dann müsste für ihn das Licht als Informationsträger eine andere Geschwindigkeit haben, als für einen zweiten Beobachter, der sich knapp unter der Wasseroberfläche befindet, und der das Schiff ebenfalls näherkommen sieht(sehr sauberes Wasser vorausgesetzt), also nur 225.000 km/s.
Andererseits wäre die Gleichheit der Lichtgeschwindigkeit für mehrere Beobachter mit der Wahrnehmung durch das gleiche Medium hindurch (üblicherweise Luft) zu begründen.
Die Lichtgeschwindigkeit ist abhängig vom Medium. Daher kann Licht verschiedene Geschwindigkeiten haben. Es wurde bereits Licht mit 45 m/s beobachtet. [2]
Vermutlich ist mit der Frage gemeint: Warum ist die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum eine Konstante?
Seit 1983 gibt eine rein formale Erklärung:
Das Meter ist die Strecke, die das Licht im Vakuum in 1/299792458 Sekunden zurücklegt.
Durch diese Definition des Meters muss die Geschwindigkeit von Licht im Vakuum 299792458 m/s sein.
Zwischen 1799 und 1983 war das Meter über ein Urmeter, einen Platin-Iridium-Stab, definiert. Da funktionierte diese rein formale Erklärung nicht.
Experimentell gezeigt wurde die Unabhängigkeit der Lichtgeschwindigkeit von einer absoluten Geschwindigkeit durch das Experiment von Michelson und Morley in den 1880er. Für die Physik ist der experimentelle Nachweis der wichtigste Punkt. Die Theorien beschreiben „nur“.
Licht ist eine elektromagnetische Welle. - Näherungsweise, Quanteneffekte werden dabei vernachlässigt. - Die Geschwindigkeit von Licht ist gleich der Geschwindigkeit einer elektromagnetischen Welle im entsprechenden Medium. Keine besondere Eigenschaft des Lichts führt zur Lichtgeschwindigkeit. Die Lichtgeschwindigkeit ergibt sich aus dem Verhalten von elektromagnetischen Wellen.
Der Elektromagnetismus und damit die Ausbreitung von elektromagnetischen Wellen wurde 1862 durch die Aufstellung der Maxwellschen Gleichungen abgeschlossen. Diese Gleichungen beschreiben alle elektromagnetischen Effekte (ohne die Quanteneffekte).
Die Maxwellschen Gleichungen sind ein Satz von Differenzialgleichungen. Eine Lösung der Gleichungen ist die Wellenlösung. Die Ausbreitung von zeitabhängigen elektrischen und magnetischen Feldern in Form einer Welle. Aus den Maxwellschen Gleichungen kann die Geschwindigkeit v der Welle berechnet werden. v = 1 / Wurzel( epsilon * mü )
Das epsilon ist die elektrische Konstante des Mediums und mü ist die magnetische Konstante des Mediums. Diese Materialkonstanten können gemessen werden, ohne Licht oder ohne eine elektromagnetische Welle.
Die elektrische Konstante epsilon kann zum Beispiel über aus der Kapazität eines Kondensators berechnet werden, zwischen dessen Platten das entsprechende Medium ist. Die magnetische Konstante mü kann zum Beispiel über die Induktionsspannung bei einer Magnetfeldänderung gemessen werden.
Die Geschwindigkeit, der elektromagnetische Welle kann, vorhergesagt werden, durch die Messung dieser beiden Materialkonstanten.
Dass die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum eine Konstante ist, geht aus den Maxwellschen Gleichungen hervor. Die Gleichungen erlauben es, die Geschwindigkeit aus anderen Versuchen zu berechnen.
Einstein hat die Widersprüche zwischen den Maxwellschen Gleichungen und der klassischen Mechanik aufgelöst, indem er relativistische Mechanik entwickelt hat. Daher hat Einsteins erste Arbeit zur Speziellen Relativitätstheorie den Titel „Zur Elektrodynamik bewegter Körper“. [3]
Die nächste Frage ist: Warum gelten die Maxwellschen Gleichungen?
Die Gleichungen beschreiben die Experimente. Die Gleichungen beschreiben das beobachtet Verhalten von elektromagnetischen Feldern.
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Zu den weiteren Details:
"Du beschreibst, wie man die LG und deren Unabhängigkeit vom Betrachter feststellte, sowohl theoretisch, als auch im realen Experiment" -- Richtig. In der Physik werden Begründungen "Theorien" genannt. Die Lichtgeschwindigkeit ist also begründet. Die Frage, nach einer Begründung der Lichtgeschwindigkeit, ist mit der Maxwell Theorie des Elektromagnetismus beantwortet.
Die Lichtgeschwindigkeit wird durch eine Theorie aus Materialeigenschaften hergeleitet. Diese Theorie liefert den Wert der Lichtgeschwindigkeit.
"Meine Frage war aber eine andere. Kennen wir den Grund, warum elektromagnetische Wellen diese Eigenschaften haben?" -- Falsch, die Frage war, "Warum (!) ist Licht für jeden Beobachter gleich schnell?". In der Frage wurde weder die Maxwellsche Theorie noch der Elektromagnetismus erwähnt.
"Kennen wir den Grund, warum elektromagnetische Wellen diese Eigenschaften haben?" -- Ja, das habe ich beschreiben, der Grund ist die Eigenschaft des elektromagnetischen Felds.
Wiederholung in Kurzform:
Frage: "Warum (!) ist Licht für jeden Beobachter gleich schnell?". Antwort: "Licht bewegt sich mit der sogenannten Lichtgeschwindigkeit, weil Licht eine elektromagnetische Welle ist." Damit ist diese Frage beantwortet.
Die Frage lautet nicht, "Warum ist die Phasengeschwindigkeit einer elektromagnetische Welle gleich der Lichtgeschwindigkeit?". Die Antwort auf diese Frage ist, "Die Geschwindigkeit einer elektromagnetischen Welle ergibt sich aus den Eigenschaften des elektromagnetischen Felds."
Über die bisherige Antwort hinaus:
Die Frage lautet nicht, "Warum verhält sich das elektromagnetische Feld, wie es sich verhält?". Das führt zur Theorie der elektroschwachen Wechselwirkung, die elektromagnetische Wechselwirkung taucht in dieser Theorie als Spezialfall auf. Warum die Theorie der elektroschwachen Wechselwirkung diese Form hat, führt auf aktuelle Arbeiten zur Großen Vereinheitlichten Theorie oder grand unification theory (GUT).
Mein Fazit:
In der ursprünglichen Frage taucht weder "elektromagnetische Welle", "elektromagnetisches Feld" noch "Maxwell" auf. Prompt nach der Antwort tauchen diese Begriffe auf.
So geht ein Taschenspielertrick: Ist eine Frage beantwortet, dann wird aus der Antwort eine neue Frage gebaut. Das Spiel geht, bis der aktuelle Stand der Physik die Antwort noch nicht geben kann. Dieser Taschenspielertrick kann in der mündlichen Diskussion funktionieren. Bei einer schriftlich gestellten Frage kann die ursprüngliche Frage nachgelesen werden.
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Zu den weiteren Details:
Das "unbekannte Medium" bei elektromagnetischen Wellen wurde unter dem Namen "Äther" in der Physik diskutiert. Vor rund 100 Jahren verschwand die Äthertheorie aus der Diskussion. Das elektromagnetische Feld hat sich bei der Beschreibung des Elektromagnetismus, einschließlich seiner Welleneffekte, durchgesetzt. Die Äthertheorie war durch experimentelle Befunde widerlegt. [4,5]
Gäbe es einen Äther, so muss die Lichtgeschwindigkeit einen Zusammenhang zur Geschwindigkeit des Äthers haben, wie die Schallgeschwindigkeit einen Zusammenhang mit der Windgeschwindigkeit hat. Dass Wind "den Schall trägt", kann im Alltag leicht gehört werden. Da die Lichtgeschwindigkeit eine Konstante ist, müsste die Geschwindigkeit des Äthers ebenfalls eine Konstante sein. Wie der Äther seine Geschwindigkeit an den Beobachter anpassen soll, konnte nie befriedigend in der Äthertheorie erklärt werden.
Die konstante Lichtgeschwindigkeit, gezeigt in den Versuchen von Michelson und Morley, war ein wichtiger Punkt zur Widerlegung der Äthertheorie.
"Ich fragte nie danach, warum Licht die LG hat." -- Danke mannimanaste für die Klarstellung. Ich hatte die Frage falsch verstanden. Ich dachte die Frage "Warum (!) ist Licht für jeden Beobachter gleich schnell?" ist äquivalent zur Frage "Warum breitet sich Licht im Vakuum immer mit der Lichtgeschwindigkeit Co aus?".
Nach der Klarstellung kann muss ich passen. Ich verstehe die Frage nicht und kann sie daher nicht beantworten.