Bewegt sich Licht immer mit Lichtgeschwindigkeit, egal von welchem Bezugsrahmen aus? Wenn ich mich mit 80 % c von der Erde wegbewege und ein Lichtsignal zur Erde sende, bewegt es sich dann von jedem Referenzpunkt aus mit c?
Dies sind die Maxwell-Gleichungen in einer möglichen Formulierung:
∮
E
⃗ 
⋅d
A
⃗ 
=
q
enc
ε
0
∮
B
⃗ 
⋅d
A
⃗ 
=0
∮
E
⃗ 
⋅d
s
⃗ 
=−
d
Φ
B
dt
∮
B
⃗ 
⋅d
s
⃗ 
=
μ
0
ε
0
d
Φ
E
dt
+
μ
0
i
enc
Maxwell-Gleichungen – Wikipedia
Die Maxwell-Gleichungen von James Clerk Maxwell (1831–1879) beschreiben die Phänomene des Elektromagnetismus . Sie sind damit ein wichtiger Teil des modernen physikalischen Weltbildes . Die Gleichungen beschreiben, wie elektrische und magnetische Felder untereinander sowie mit elektrischen Ladungen und elektrischem Strom unter gegebenen Randbedingungen zusammenhängen. Zusammen mit der Lorentzkraft erklären sie alle Phänomene der klassischen Elektrodynamik . Sie bilden daher auch die theoretische Grundlage der Optik und der Elektrotechnik . Die Gleichungen sind nach dem schottischen Physiker James Clerk Maxwell benannt, der sie von 1861 bis 1864 erarbeitet hat. Er kombinierte dabei das Durchflutungsgesetz und das Gaußsche Gesetz mit dem Induktionsgesetz und führte zusätzlich, um die Kontinuitätsgleichung nicht zu verletzen, den ebenfalls nach ihm benannten Verschiebungsstrom ein. James Clerk Maxwell Die Maxwell-Gleichungen sind ein spezielles System von linearen partiellen Differentialgleichungen erster Ordnung. Sie lassen sich auch in integraler Form, in differentialgeometrischer Form und in kovarianter Form darstellen. Die Feldlinien des elektrischen Feldes verlaufen zwischen den positiven und negativen Ladungen. Die Feldlinien der magnetischen Flussdichte B → {\displaystyle {\vec {B}}} bilden geschlossene Bahnen oder sind unendlich lang. Das elektrische und das magnetische Feld können durch Feldlinien repräsentiert werden. Das elektrische Feld wird durch die Felder der elektrischen Feldstärke E → {\displaystyle {\vec {E}}} und der elektrischen Flussdichte D → {\displaystyle {\vec {D}}} repräsentiert, während das magnetische Feld durch die Felder der magnetischen Feldstärke H → {\displaystyle {\vec {H}}} und der magnetischen Flussdichte B → {\displaystyle {\vec {B}}} repräsentiert wird. Die elektrische Feldstärke E → {\displaystyle {\vec {E}}} und die magnetische Flussdichte B → {\displaystyle {\vec {B}}} können prinzipiell durch die Kraftausübung auf Ladungen veranschaulicht werden. Die Zusammenhänge werden im Artikel über die Lorentzkraft genauer beschrieben. Im Falle des elektrischen Feldes zeigt der Verlauf der elektrischen Feldstärke die Richtung der vom Feld ausgeübten Kraft an (die Kraft wirkt in Richtung der Tangente an die Feldlinie am jeweiligen Ort), die Feldliniendichte (die Nähe der Feldlinien zueinander) stellt die Feldstärke in diesem Gebiet dar. Im Falle des magnetischen Feldes wirkt die Kraft normal zur Richtung der magnetischen Flussdichte und normal zur Bewegungsrichtung der Ladung. In der folgenden Abbildung wird das Feldlinienbild anhand einer positiven und einer negativen Ladung verdeutlicht. Das elektrische Feld ist an den Ladungsträgern am stärksten und nimmt mit größerer Entfernung ab: In Quellenfeldern zeichnen sich die Feldlinien durch einen Anfang und ein Ende aus (oder verschwinden im Unendlichen). In Wirbelfeldern sind die Feldlinien geschlossene Kurven. Das Gaußsche Gesetz für elektrische Felder besagt, dass elektr
https://de.wikipedia.org/wiki/Maxwell-Gleichungen
Ich will nicht tiefer darauf eingehen, aber sie sind einer der großen Würfe der klassischen Physik und beschreiben das Verhalten des Elektromagnetismus perfekt.
Aus diesen Gleichungen lässt sich auch die Ausbreitungsgeschwindigkeit einer elektromagnetischen Welle ausrechnen:
c=
1
ε
0
μ
0
√
Diese Ausbreitungsgeschwindigkeit entspricht exakt der Lichtgeschwindigkeit und so schloss Maxwell daraus auch messerscharf, dass Licht eine elektromagnetische Welle sein muss.
Wie man jetzt an dieser Gleichung sogleich sieht, steht dort nicht, im Verhältnis wozu diese Lichtgeschwindigkeit gilt. Sie errechnet sich einfach aus zwei Konstanten, der elektrischen Feldkonstante
ε
0
und der magnetischen Feldkonstante
μ
0
und ist damit ebenfalls eine Konstante.
An dieser scheinbaren Merkwürdigkeit der Gleichungen knabberten die Physiker des ausgehenden 19. Jh. eine Weile lang herum und erfanden Dinge wie den Lichtäther, dem gedachten Ausbreitungsmedium für elektromagnetische Wellen, welches die Referenz für die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichts sein sollte. Wohlgemerkt, so etwas geben die Maxwell-Gleichungen nicht her.
So machten sich dann der Physiker Albert Michelson 1881 daran, diesen Lichtäther auch zu belegen, was ihm jedoch nicht gelang. Allerdings war der Ausgang dieses Experiments nicht so eindeutig, wie man sich das gewünscht hätte. Der Messfehler war immer noch arg hoch. Aber es war ja auch nur ein erster Versuch.
Zusammen mit dem Chemiker Edward Morley machte sich Michelson 1887 daran, den Versuchsaufbau zu verbessern und genauere Ergebnisse zu erhalten. Doch auch diesmal schien sich das Licht in alle Richtungen gleich schnell auszubreiten. Kein Lichtäther.
Ab 1902 versuchte Michelson noch einmal, den Lichtäther zu belegen, aber wieder kein Ergebnis.
Dann zog 1905 ein Berner Patentamtsangestellter den richtigen Schluss aus den Maxwell-Gleichungen und den Experimenten: dass nämlich die Tatsache, dass kein Bezugsrahmen für die Lichtgeschwindigkeit in den Maxwell-Gleichungen angegeben ist, bedeutet, dass diese für alle Bezugsrahmen und alle Beobachter gleichermaßen gilt und konstant ist.
Er hatte die Konstanz der Lichtgeschwindigkeit nicht einfach so, qua göttlicher Eingebung postuliert, sondern hatte durchaus handfeste Gründe dafür. Er dachte einfach nur konsequent zu Ende.
Damit hatte Albert Einstein, der Berner Patentamtsangestellte, die Spezielle Relativitätstheorie geboren. Einstein konnte damit auch sogleich zeigen, warum ein fließender Strom ein Magnetfeld erzeugt, während die Maxwell-Gleichung nur sagen, dass er es tut, aber nicht warum.
Heute haben wir die Unabhängigkeit der Lichtgeschwindigkeit vom Bezugssystem mit hirnerweichender Genauigkeit belegt. Das Gravitationswellenobservatorium LIGO
ist vom Aufbau her nicht viel anders, als das Michelson-Interferometer
und wiederholt somit quasi mit jeder Messung dessen Versuche.
Unser GPS-System würde ohne die Konstanz der Lichtgeschwindigkeit keine zuverlässigen Daten liefern. Das Event Horizon Telescope
, der Zusammenschluss vieler Radioteleskope zwecks der Aufnahme Schwarzer Löcher, würde nicht funktionieren, da sich die Teleskope aufgrund der Erdrotation ständig im Verhältnis zueinander und aufgrund der Erdbewegung durch den Raum relativ zum aufzunehmenden Objekt bewegt.
Wenn man sich also mit 80 % Lichtgeschwindigkeit von der Erde entfernt und ein Licht-Signal zur Erde sendet, so ist dieses Signal für jeden Beobachter gleich schnell, auch für einen Beobachter, der sich mit 80 % Lichtgeschwindigkeit in die entgegengesetzte Richtung bewegt. Mann könnte ja jetzt meinen, wenn der eine Beobachter mit 80 % in die eine Richtung und der andere mit 80 % in die andere Richtung jagt, dann sind doch 80 % + 80 % = 160 %. Da müssten sich die Beobachter doch mit 1,6 c auseinander bewegen und niemals ein Signal vom anderen empfangen können.
Doch für die relativistische Addition von Geschwindigkeiten gilt:
u=
u
′
+v
1+
u
′
⋅v
c
2
Eingesetzt in die Formel ergibt sich nun, dass sich die Raumschiffe nicht mit 1,6 c auseinander bewegen, sondern "nur" mit 0,975 c. Das Signal kommt mit Lichtgeschwindigkeit an, ist jedoch aufgrund des Dopplereffektes stark rotverschoben.
Jede Teilchenkollision im LHC am CERN bei Genf belegt das stets wieder aufs neue.
Wer sich ein wenig tiefer mit dieser Materie beschäftigen will, dem empfehle ich die Vorlesung "Einblicke in die Relativitätstheorie" von Peter Kroll im Studium Generale an der Uni Konstanz: