Kommentare zum Stichwort Lichtausbreitung

  
Kann man Licht abbremsen?

Licht wird nicht gebremst oder beschleunigt. Licht hat an einem gegebenem Ort und bei gegebener Richtung immer die gleiche Geschwindigkeit gegen den Beobachter an diesem Ort, unabhängig von der Bewegung des Beobachters. Nimmt man als Geschwindigkeitsnormal das atomare (Bohrscher Radius mal Rydberg-Konstante), so hat die Lichtgeschwindigkeit auch überall und in alle Richtungen den gleichen Wert (c = 2 π * 137 * e2/h). Ein Photon wird also nicht beschleunigt. Gewinnt es an Energie, erhöht sich seine Frequenz ν (E = hν), verliert es Energie, verringert sie sich.
Man kann dennoch Photonen auf die Waage legen. Man braucht dazu nur ein Gefäß mit ideal spiegelnden Wänden, in das man es einschließt. Es wird dann wie ein Molekül bei jeder Spiegelung Impuls auf die Wände übertragen. Am Boden wird das etwas mehr sein als am Deckel, weil das Photon am Boden etwas mehr Energie hat. Im Mittel ergibt sich ein Kraft, die gleich dem Gewicht des Photons ist, und man findet m = E/c2.

Im Übrigen scheint man Licht in Materie bei sehr tiefen Temperaturen abbremsen zu können (Hau et al.: "Light Speed Reduction to 17 Metres Per Second in an Ultracold Atomic Gas." Nature 397 (1999): 594), aber in Materie liegen die Dinge auch so schon komplizierter.

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Sind Lichtstrahlen im Schwerefeld krumm?

Gravitationslinsen stellen heute wichtige Beobachtungen für viele Bereiche der Astronomie dar. Wir suchen Planeten, bestimmen den Halo unserer Milchstraße, die Expansionsrate des Universums, die Dichte der entfernten Quasare. In unserer euklidischen Denkweise werden die Lichtstrahlen durch das Gravitationsfeld gekrümmt.
Es gibt aber nichts geraderes als Lichtstrahlen.
Die Schwerkraft krümmt die Welt (die Raum-Zeit), nicht die Weltlinien der frei fallenden Körper (darunter die der Photonen). Diese bleiben - wie die Geraden der Ebene - Geodäten.
Was sich ändert, ist der Zusammenhang im Großen. Wir erwarten aus euklidischer Vorstellung, dass sich zwei Geraden in höchstens einem Punkt schneiden und durch zwei verschiedene Punkte immer genau eine Gerade geht. Solche Geraden gibt es im Schwerefeld überhaupt nicht mehr. Wie sich auf der Kugel zwei Geraden (d.h. Großkreise) immer an zwei Punkten schneiden und durch Nord- und Südpol unendlich viele Geraden gehen, gibt es im Gravitationsfeld Punktepaare, durch die mehrere Geraden (lokal kürzeste Linien) gehen. Der Beobachter sieht den Quasar auf mehreren geraden Sichtlinien, wenn eine geeignete Schwerequelle die Welt dazwischen krümmt, sonst gibt es nur eine.
Die Photonen bewegen sich zunächst auf Geodäten in der vierdimensionalen Raum-Zeit, deren metrische Verhältnisse auch für alle anderen physikalischen Vorgänge bestimmend sind. Im allgemeinen ist der dreidimensionale Raum nicht eindeutig präparierbar. Nur im statischen Gravitationsfeld kann dies geschehen, und nun ist es eine zweite Frage, ob der stationäre Lichtstrahl in diesem statischen Gravitationsfeld als Geodäte im dreidimensionalen Raum beschrieben werden kann. Auch dies muss bejaht werden. Die metrischen Verhältnisse des Raums können auch aus denen der Welt abgeleitet werden. Der Gaußsche Versuch kann so beschrieben werden.
Die Bahn des Lichtstrahls ist also auch eine Geodäte, und die dabei zu benutzenden metrischen Verhältnisse sind unabhängig von der Frequenz des Lichts. Bahnen langsamer massiver Teilchen (Planeten) lassen sich ebenfalls als Geodäten im Dreidimensionalen darstellen, allerdings ist die dann zu verwendende Metrik des dreidimensionalen Raums eine andere und sie hängt wie in der klassischen Mechanik auch (Maupertiussches Prinzip) von der Energie der Teilchen ab.

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Ist die Lichtgeschwindigkeit konstant?

Die Lichtgeschwindigkeit ist durch Maßzahlen etwa in Meter pro Sekunde angegeben. Im allgemeinen macht sich niemand klar, dass die Dauer einer Sekunde und die Länge eines Meters ebenfalls von der Lichtgeschwindigkeit abhängen, und täuschungsfrei nur über eine Änderung der Maßzahlen unter Berücksichtigung der parallelen Veränderung der Maßeinheiten nachgedacht werden kann: Nur dimensionslose Größen können sich zweifelsfrei ändern.
Hier wäre dies die Änderung der Sommerfeldschen Feinstrukturkonstanten, das ist die Kombination Quadrat der Elementarladung/(Plancksches Wirkungsquantum mal Lichtgeschwindigkeit). Hier sagt die Beobachtung klar, dass sich diese Zahl auch im Schwerefeld und während der kosmischen Expansion nicht ändert. Die Theorie des Schwerefeldes lebt geradezu davon, dass die Lichtgeschwindigkeit in dieser dimensionslosen Kombination konstant ist.
Die (spezielle) Relativitätstheorie benutzt und behauptet dagegen vor allem die Unabhängikeit der Lichtgeschwindigkeit von der Richtung der Wellenausbreitung und ihre Indifferenz gegen Zusammensetzung mit anderen Geschwindigkeiten, und bezeichnet dieses mit Konstanz der Lichtgeschwindigkeit.

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