Ruprecht-Karls-Universität Heidelberg, Fakultät für Physik und Astronomie
Seminar: Demonstrationsversuche für Lehramtskandidaten
Sommersemester 2005, 4. Fachsemester

Die Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit

von: Stephan Bialek

Inhaltsverzeichnis

1. Die Lichtgeschwindigkeit 3

2. Historische Methoden zur Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit 3

2.1 Galileo Galilei (1564 – 1642) 3
2.2 Olaf (Ole) Römer (1644 – 1710) 4
2.3 Armand Fizeau (1819 – 1896) 5
2.4 Jean Bernard Léon Foucault (1819 – 1868) 7

3. Moderne Methoden zur Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit 9

3.1 Die Vakuumlichtgeschwindigkeit 9
3.2 Die Lichtgeschwindigkeit in Medien 10
3.3 Die Brechung von Licht 11

4. Literaturverzeichnis 12

5. Abbildungsverzeichnis 12

1. Die Lichtgeschwindigkeit

In der modernen Physik ist die Lichtgeschwindigkeit eine der wichtigsten Konstanten. 1983 definierte die 17. Generalversammlung für Maß und Gewicht den bis dahin genausten Wert für die Vakuumlichtgeschwindigkeit, nämlich c = 299.792.458 m/s, als exakt. Einsteins Relativitätstheorie wäre ohne eine konstante Lichtgeschwindigkeit nicht möglich und viele Weiterentwicklungen der „klassischen“ Physik, beispielsweise der Elektrodynamik, wären undenkbar gewesen. Aber lange Zeit wurde Licht als „blitzschnell“ angesehen; man dachte also, dass Licht keine Zeit braucht, um sich auszubreiten.

2. Historische Methoden zur Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit

2.1 Galileo Galilei (1564 – 1642)

Einer der ersten, die versuchten, die Lichtgeschwindigkeit zu messen, war Galileo Galilei¹. Er wollte sich auf einen Hügel stellen und eine Laterne aufdecken. Sobald sein 1 km entfernt stehender Assistent dieses Signal sehen würde, sollte er seinerseits eine Laterne aufblitzen lassen. Dieser Versuch, die Geschwindigkeit des Lichts zu messen, scheint heute unfreiwillig komisch. Wenn man sich überlegt, dass das Licht, dessen Geschwindigkeit ca. 3·105 km/s beträgt, die Entfernung von einem Kilometer in ca. drei Nanosekunden zurücklegt und die menschliche Reaktionszeit bei ungefähr einer Sekunde liegt, wird klar, dass Galileo keine sinnvollen Ergebnisse bei seinem Versuch erhielt. Trotzdem ist es bemerkenswert, dass bereits zu Beginn des 17. Jahrhunderts einzelne Wissenschaftler an die Endlichkeit der Lichtgeschwindigkeit glaubten und sich so gegen die herrschende Lehrmeinung absetzten.

2.2 Olaf (Ole) Römer (1644 – 1710)

Die von Galilei gefundenen Jupitermonde haben auch eine Bedeutung für eine andere Methode zur Messung der Lichtgeschwindigkeit. Der dänische Astronom Olaf (Ole) Römer² beobachtete 1675 den Mond Io und stellte fest, dass die Zeit zwischen zwei Mondfinsternissen (also dem Verschwinden des Mondes hinter dem Jupiter) 42,5 Stunden betrug, wenn die Erde dem Jupiter am nächsten stand (Konjunkturstellung, Position I). Hieraus berechnete Römer den Zeitpunkt, an dem wieder Mondfinsternisse auftreten würden, sobald die Erde sich am weitesten entfernt vom Jupiter befindet (Oppositionsstellung, Position III). Er stellte aber fest, dass sich der Mond um ungefähr 22 Minuten verspätete und schloss draus, dass das Licht die Zeit von ca. 1320 Sekunden benötigt, um den doppelten Erdbahnradius von 2·(1,41·108) km zurückzulegen. Die Bewegung des Jupiters wurde hierbei vernachlässigt, da dessen Umlaufzeit ca. 11 Jahre beträgt.

Abb. 1: Position der Erde in Bezug zu Jupiter

[...]

1 Galileo Galilei (*15.2.1564 in Pisa, †8.1.1642 in Arcetri) war italienischer Mathematiker, Naturforscher und Philosoph und einer der Mitbegründer der modernen Naturwissenschaft. Seine Hauptleistungen für den Fortschritt in der Naturwissenschaft waren wohl erstens die Abkehr von der bis dahin aristotelisch-scholastischen Ontologie, die nach dem „Wesen“ der Dinge fragt, hin zu der Frage nach dem „Wie“ des Vorgangs und zweitens die Einführung der Mathematik als Sprache, mit der die Natur beschrieben werden konnte. Galileo konzentrierte sich auf die Kinematik und stellte verschiedene Gesetze zu einfachen und zusammengesetzten Bewegungen auf. Unter anderem beschrieb er den freien Fall und die parabelförmige Wurfbahn. Obwohl Galilei nicht vornehmlich Astronom war, war er doch der erste, der das 1608 erfundene Fernrohr auf Himmelskörper richtete. Seine Entdeckung der Jupitermonde führte ihn zu der Theorie vom heliozentrischen Weltbild, welches dem geozentrischen Weltbild der katholischen Kirche widersprach und erstmals von Copernicus aufgestellt wurde. Diese Lehre führte nach mehreren Veröffentlichungen Galileis zu einem Konflikt mit der Kirche, welche ihn am 1.10.1632 vor die Inquisition zitierte und verurteilte. Am 22.6.1633 schwor er „seinem Irrtum“ ab, wurde aber gegen Ende desselben Jahres in seiner eigenen Villa in Arcetri unter „Hausarrest“ gestellt. Trotzdem arbeitete er im Kreise seiner engsten Schüler weiter und veröffentlichte noch ein weiteres Werk. 1637 erblindete er und starb fünf Jahre später.

2 Olaf (Ole) Römer (*25.9.1644 in Århus, †19.9.1710 in Kopenhagen) war dänischer Astronom und Mathematiker. 1672 wurde er auf Empfehlung von Jean Piccard in die „Académie des Sciences“ in Frankreich aufgenommen, welche er als Lutheraner aber 1681 nach der Aufhebung des Edikts von Nantes verlassen musste. In der Akademiesternwarte beobachtete er zusammen mit Giovanni Domenico Cassini den von Galilei entdeckten Jupitermond Io und folgerte aus den Zeitverschiebungen zwischen dessen Verfinsterungen, dass das Licht eine endliche Ausbreitungsgeschwindigkeit besitzt. Mit dieser Theorie stellte er sich gegen das zu dieser Zeit in Frankreich herrschende Bild von der kartesische Physik, die eine instantane Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichts voraussetzte. Auf Römers Entdeckung stützten sich sowohl Huygens als auch Newton bei ihren Überlegungen über das Licht und dessen Farben.