Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit

Zur Zeit der großen europäischen Entdeckungsfahrten im 16. Jahrhundert gab es keine Schiffsuhren, aufweichen man die Zeit am Nullmeridian ablesen konnte. So kam es häufig vor, dass Schiffe hunderte Seemeilen von der vermeintlichen Position entfernt waren. Im 17. Jahrhundert wurden die ersten Fernrohre gebaut. Damit war es möglich, die periodischen Bewegungen von Himmelskörpern als Uhren zu benutzen. Zu diesem Phänomen notierte der französische Astronom Giovanni Domenico Cassini, Direktor der Pariser Sternwarte, die Verfinsterung des Jupitermonds Io auf Zeittafeln. Als der dänische Astronom Ole Römer um 1675 zur Verbesserung dieser Zeittafeln den Jupitermond nochmals beobachtete, stellte er merkwürdige Abweichungen fest. Wenn die Erde dem Jupiter am nächsten war, stimmte alles vorzüglich, doch im Laufe des nächsten halben Wahres „ging Jupiter nach„. Nach Römers Beobachtungen lief der Mond 22 Minuten zu spät durch den dunklen Schatten des Planeten. Römer machte sich auf Fehlersuche und prüfte die Tabellen. Mittlerweile verging wieder ein halbes Jahr, und - welche Überraschung! - die Jupiteruhr ging so genau, als wäre nichts gewesen. Römer gelang damit der Nachweis, dass sich das Licht mit endlicher Geschwindigkeit ausbreitet.

Die Verfinsterung des Jupitermondes tritt später ein als berechnet, wenn die Erde weiter vom Jupiter entfernt ist. Daraus schloss Römer im 17. Jahrhundert, dass sich Licht mit endlicher Geschwindigkeit ausbreitet. $c=\frac{2 r}{Δt}=\frac{2\cdot 1,5 10^6 m }{1000 s}=3\cdot 10^8 \frac{m}{s}$

Im Jahre 1849 gelang dem französischen Physiker Hippolyte Louis Fizeau die Messung der Lichtgeschwindigkeit auf der Erde.

In der abgebildeten Messanordnung fällt ein Lichtstrahl durch die Lücke eines Zahnrades, wird in 10 km Entfernung reflektiert, kehrt durch dieselbe Lücke zurück und wird in einem kleinen Fernrohr als Lichtpunkt sichtbar. Die Justierung der Apparatur war eine Meisterleistung, musste doch ein 10 km langer „Lichtarm“ auf 1 mm genau ausgerichtet werden. Wird das Zahnrad in Rotation versetzt, so zerhackt es den Lichtstrahl in kleine Stücke. Einen dieser Lichtblitze wollen wir in Gedanken verfolgen. Er verlässt die Lücke, bewegt sich zum weit entfernten Spiegel, kommt zurück und kann, wenn sich das Zahnrad langsam genug dreht, noch durch dieselbe Lücke laufen. Steigert man die Zahl der Umdrehungen pro Sekunde, so erlischt der Lichtpunkt plötzlich, weil der Lichtweg durch einen Zahn versperrt ist. Rotiert das Rad noch rascher, so erscheint der Lichtpunkt wieder. Das Licht geht jetzt durch eine Lücke hinaus und kommt durch die nächste zurück. Aus der sekündlichen Umdrehungszahl des Rades, der Zahl der Zähne und der vom Licht durchlaufenen Strecke lässt sich die Lichtgeschwindigkeit berechnen.

In Materie hängt die Lichtgeschwindigkeit vom zu durchlaufenden Material und außerdem von der Farbe des Lichts ab. Rotes Licht läuft etwas rascher als violettes Licht.