Die Lichtgeschwindigkeit messen

1849 bestimmte Hippolyte Fizeau die Laufzeit des Lichts über einen Hin- und Rückweg von etwa 17 km mit einem rotierenden Rad mit 720 Zähnen.

Ist Licht sofort da?

Schaltest du eine Lampe ein, scheint der Raum sofort hell zu werden. Lange hielten viele Denker, darunter Johannes Kepler und René Descartes, die Lichtgeschwindigkeit für unendlich. Darauf verweist die American Physical Society in ihrer Geschichte der Messung. Galileo gehörte zu den Ersten, die daran zweifelten. 1638 beschrieb er einen Versuch mit zwei Personen und abgedeckten Laternen in großem Abstand. Die erste Person deckt ihre Laterne auf; sobald die zweite das Licht sieht, deckt sie ihre auf. Aus der Zeit dazwischen sollte sich die Geschwindigkeit ergeben. Laut OpenStax zeigten solche frühen Versuche nur, dass Licht äußerst schnell ist, vielleicht sogar augenblicklich ankommt.

Warum der Laternenversuch scheiterte, ist leicht zu verstehen. Stehen die Laternen 5 km auseinander, legt das Licht 10 km hin und zurück in etwa 33 Millionstelsekunden zurück. Das ist viel kürzer als der Bruchteil einer Sekunde, den ein Mensch zum Reagieren braucht. Um Licht unterwegs zu erfassen, braucht man entweder riesige Entfernungen oder eine sehr schnelle Zeitmessung. Der erste Erfolg nutzte riesige Entfernungen.

Rømer und die Jupitermonde

In den 1670er-Jahren bestimmte der dänische Astronom Ole Rømer die Zeiten, zu denen einer der Jupitermonde hinter dem Planeten verschwand. OpenStax beschreibt seine Beobachtung: Die von der Erde aus gemessene mittlere Umlaufzeit schien sich zu ändern, je nachdem, ob sich die Erde Jupiter näherte oder von ihm entfernte. Bei größerer Entfernung traten die Verfinsterungen später ein, bei kleinerer früher. Rømer schloss daraus, dass Licht Zeit braucht, um die veränderliche Strecke zurückzulegen. Aus seinen Daten von 1676 berechnete man laut OpenStax einen Wert von 2.26 × 10⁸ m/s, etwa 25% unter dem heutigen Wert. Hauptgrund war die damals ungenau bekannte Größe der Erdbahn. Entscheidend war die Erkenntnis: Licht hat eine endliche Geschwindigkeit.

Räder und Spiegel auf der Erde

Die erste Messung, die vollständig auf der Erde stattfand, gelang Hippolyte Fizeau 1849. Er schickte einen Lichtstrahl durch die Lücken eines rotierenden Zahnrads zu einem 8633 m entfernten Spiegel und zurück. Bei langsamer Drehung kam das Licht durch dieselbe Lücke zurück. Mit steigender Drehzahl war irgendwann ein Zahn an die Stelle der Lücke gerückt, als das Licht zurückkehrte. Das vom Beobachter gesehene Licht wurde dunkler. Das Rad hatte 720 Zähne. Bei 12.6 Umdrehungen pro Sekunde verschwand das Licht erstmals, weil ein Zahn die Lücke ersetzt hatte. Bei der doppelten Drehzahl von 25.2 Umdrehungen pro Sekunde erschien es durch die nächste Lücke wieder. Die Hin- und Rücklaufzeit entsprach somit der Zeit, in der sich das Rad um eine Lücke weiterdrehte. Daraus folgt 2 × 8633 m × 720 × 25.2 pro Sekunde ≈ 313 000 km/s, etwa 4.5% zu viel.

Léon Foucault ersetzte das Rad durch einen rotierenden Spiegel. Das Licht wurde von diesem zu einem festen Spiegel und zurück reflektiert. Währenddessen hatte sich der rotierende Spiegel etwas weitergedreht. Der zurückkehrende Strahl war deshalb um einen kleinen, messbaren Winkel versetzt. 1862 erhielt Foucault 298 000 km/s, nur 0.6% vom heutigen Wert entfernt, obwohl seine Spiegel nur etwa 20 m auseinanderstanden. Mit derselben Art von Aufbau hatten er und Fizeau um 1850 auch gezeigt, dass Licht in Wasser langsamer ist als in Luft, wie es die Wellentheorie des Lichts vorhersagte. Albert Michelson verbesserte die Drehspiegelmethode über Jahrzehnte. OpenStax beschreibt seinen Aufbau mit einem 35 km entfernten festen Spiegel. Sein Ergebnis von 1926 betrug 299 796 km/s, etwa 12 Millionstel zu viel.

Vom Messen zur Definition von c

In den 1970er-Jahren erlaubten Laser mit sehr stabilen Frequenzen, Frequenz und Wellenlänge desselben Lichts zu messen und zu multiplizieren, denn c = fλ. NIST beschreibt, wie Ken Evensons Gruppe in Boulder 299 792 456.2 ± 1.1 m/s ermittelte, hundertmal genauer als zuvor. Die Grenze lag nun nicht mehr in der Lichtmessung, sondern in der Definition des Meters selbst, die damals auf dem Licht von Kryptonatomen beruhte. Daher kehrte die Generalkonferenz für Maß und Gewicht 1983 die Frage um: Sie definierte den Meter als die Strecke, die Licht im Vakuum in 1/299 792 458 einer Sekunde zurücklegt. Seitdem beträgt die Lichtgeschwindigkeit definitionsgemäß exakt 299 792 458 m/s. Entfernungen werden mit Uhren gemessen.

Einige Zahlen machen diese Geschwindigkeit greifbar. Das Licht der etwa 149.6 Millionen km entfernten Sonne braucht 499 Sekunden bis zu uns, etwas mehr als 8 Minuten. Ein Laserpuls zu einem Reflektor auf dem im Mittel 384 400 km entfernten Mond kommt etwa 2.56 Sekunden später zurück.