c = konstant

8. April 2017, 21:58

Die Lichtgeschwindigkeit c (englisch für constant) hat in jedem Bezugssystem immer denselben Wert: 300 000 km/s. Sie ist vom Bewegungszustand der Lichtquelle ebenso unabhängig wie von dem des Beobachters. Man kann dem Licht entgegen- oder nachlaufen, es kann sich auf einen zu oder von einem weg bewegen, immer wird es die konstante Geschwindigkeit von 300 000 km/s aufweisen.

Die Lichtgeschwindigkeit ist nicht nur eine Naturkonstante, sondern auch eine Grenzgeschwindigkeit und somit das absolute Tempolimit im Kosmos. Nichts in unserem Universum bewegt sich schneller als das Licht.

Zwei Züge fahren aufeinander zu

Die Konstanz der Lichtgeschwindigkeit widerspricht Galileis Additionsregel für Geschwindigkeiten in der klassischen Mechanik.

Ein Beispiel: Zwei Züge, die mit jeweils 100 Stundenkilometern aufeinander zu fahren, bewegen sich mit einer Relativgeschwindigkeit von 200 Stundenkilometern. Denken wir uns nun, die beiden Züge wären in der Nacht unterwegs und hätten ihr Scheinwerferlicht eingeschaltet. Die Lichtstrahlen der beiden Züge bewegen sich jeweils mit c von den Scheinwerfern weg und aufeinander zu. Nun müssen wir noch die Relativgeschwindigkeit der beiden Züge, also 200 Stundenkilometer, addieren. Die Relativgeschwindigkeit der aufeinander zu fliegenden Lichtstrahlen müsste also nach Galilei 2c + 200 Stundenkilometer sein. Und welchen Wert würde man tatsächlich messen? Lediglich 300 000 km/s, c ist und bleibt in jedem Bezugssystem konstant!

Zeitdehnung und Längenverkürzung

Die Konstanz der Lichtgeschwindigkeit ist neben dem Relativitätsprinzip (es gibt kein ausgezeichnetes Inertialsystem; die Naturgesetze gelten in allen Inertialsystemen) das zweite Hauptpostulat in der speziellen Relativitätstheorie. Von diesen beiden unscheinbar klingenden Ideen leitet Einstein die zwei revolutionären Konsequenzen der SRT ab.

Erstens, die Zeitdehnung: Für einen ruhenden Beobachter vergeht die Zeit in bewegten Systemen langsamer, bewegte Uhren ticken folglich langsamer. Zweitens, die Längenverkürzung: In bewegten Systemen verkürzen sich die Maßstäbe in Bewegungsrichtung, bewegte Körper schrumpfen, der Raum allgemein wird in bewegten Systemen gestaucht.

Der Zug und der Apfel

Als Erklärung mag uns wieder ein Zug-Experiment dienen: Wenn wir in einem fahrenden Zug einen Apfel fallen lassen, wird er senkrecht zu Boden fallen. Ein ruhender Mann am Bahndamm würde den Apfel allerdings in einer schrägen Linie zu Boden fallen sehen, weil sich unser Zug an ihm vorbei bewegt. Seine schräge ist länger als unsere gerade Linie. Wenn die Zeit absolut wäre und für uns und den Mann gleich schnell verstreicht, muss der Apfel die längere Schräglinie in einer höheren Geschwindigkeit zurücklegen.

Und genau das ist unmöglich, wenn wir unser Fallexperiment mit einem Lichtteilchen durchführen. Dann müsste das Lichtteilchen die längere Schräglinie mit Überlichtgeschwindigkeit zurücklegen, die es aber nicht geben kann: c ist konstant.

Das Lichtteilchen in unserem fahrenden Zug kommt aus Sicht des ruhenden Beobachters am Bahndamm ganz einfach später am Boden an. Mit Einsteins Worten: In bewegten Systemen ist die Zeit gedehnt und der Raum verkürzt. Folglich erweist sich in der SRT weder der Raum noch die Zeit, sondern lediglich die Lichtgeschwindigkeit als eine konstante, absolute und unveränderliche Größe im Universum.