Frage Ethan: Bewegt sich Licht immer mit der gleichen Geschwindigkeit?

zeigt unter anderem Sterne, Gas, Strahlung und Schwarze Löcher. Aber das Licht, das von all diesen Quellen kommt, von Gammastrahlen über sichtbares bis hin zu Radiolicht, bewegt sich immer mit der gleichen Geschwindigkeit durch den leeren Raum: die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum. NASA/ ESA/ SSC/ CXC/STScI

Egal wie schnell Sie gehen, es gibt immer eine Sache, die Sie nie fangen können: Licht. Die Lichtgeschwindigkeit ist nicht nur die schnellste Geschwindigkeit, die alles im Universum reisen kann, sie wird auch als universelle Konstante angesehen. Egal, ob wir eine Taschenlampe anzünden, den Mond oder die Sonne betrachten oder eine Galaxie aus Milliarden von Lichtjahren Entfernung messen, die Lichtgeschwindigkeit ändert sich nie. Aber stimmt das wirklich? Das will Violet Brettschneider wissen:

Bewegt sich Licht immer mit der gleichen Geschwindigkeit? Wenn es durch etwas verlangsamt wird, wird es langsamer bleiben, nachdem es nicht mehr verlangsamt wird? Wird die Geschwindigkeit wieder auf Lichtgeschwindigkeit steigen?

Beginnen wir mit dem, was Licht auf einer fundamentalen Ebene ist: ein Teilchen.

Felder, die sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten, definieren, was elektromagnetische Strahlung ist. Die kleinste Einheit (oder Quantum) elektromagnetischer Strahlung wird als Photon bezeichnet. Public Domain image

Es sieht vielleicht nicht wie ein Partikel aus, wenn man es von einer Lichtquelle wie einer Glühbirne, einer Taschenlampe, einem Laserpointer oder sogar der Sonne kommen sieht, aber das liegt daran, dass wir nicht gut gerüstet sind, um einzelne Partikel zu sehen. Wenn wir elektronische Fotodetektoren anstelle unserer Augen verwenden, stellen wir fest, dass das gesamte Licht im Universum aus demselben Teilchentyp besteht: dem Photon. Es hat einige Eigenschaften, die zwischen allen Photonen gleich sind:

• seine Masse (die 0 ist),
• seine Geschwindigkeit (die immer c ist, die Lichtgeschwindigkeit),
• sein Spin (der immer 1 ist, ein Maß für seinen Eigendrehimpuls),

und eine sehr wichtige, die variiert: seine Energie. Violettes Licht hat die meiste Energie aller Photonen, die für das menschliche Auge sichtbar sind, während Rot die geringste Energie aller sichtbaren Photonen hat. Bei noch niedrigeren Energien sind Infrarot-, Mikrowellen- und Radiophotonen, während Ultraviolett-, Röntgen- und Gammastrahlenphotonen bei höheren Energien gefunden werden können.

, die verschiedenen Teilen des elektromagnetischen Spektrums entsprechen. NASA und Wikimedia Commons user Inductiveload

Durch das Vakuum des Weltraums, egal was ihre Energie ist, reisen sie immer mit Lichtgeschwindigkeit. Es spielt auch keine Rolle, wie schnell Sie dem Licht nachjagen oder darauf zulaufen; Diese Geschwindigkeit, mit der Sie es reisen sehen, wird immer dieselbe sein. Das Ding, das sich anstelle seiner Geschwindigkeit verschiebt, wird die Energie des Lichts sein. Bewegen Sie sich in Richtung Licht und es erscheint blauer und erhöht es auf höhere Energien. Wenn Sie sich davon entfernen, erscheint es röter und zu niedrigeren Energien verschoben. Aber nichts davon, egal wie du dich bewegst, wie du das Licht bewegst oder wie du die Energie veränderst, wird dazu führen, dass sich die Lichtgeschwindigkeit ändert. Das Photon mit der höchsten Energie und das Photon mit der niedrigsten Energie, die jemals beobachtet wurden, bewegen sich beide mit genau der gleichen Geschwindigkeit.

Licht, einschließlich der Photonen-, Gluon- und Gravitationswellen, die die elektromagnetischen, starken nuklearen und gravitativen Wechselwirkungen tragen. NASA / Sonoma State University / Aurore Simonnet

Aber wenn Sie bereit sind, aus einem Vakuum in ein Material zu treten, ist es möglich, das Licht zu verlangsamen. Jedes Material, das für Licht transparent ist, wird von diesen Photonen durchströmt, einschließlich Wasser, Acryl, Kristallen, Glas und sogar Luft. Da sich in diesen Materialien jedoch geladene Teilchen befinden — insbesondere Elektronen -, interagieren sie so mit den Photonen, dass sie sie verlangsamen. Licht, obwohl es nicht geladen ist, verhält sich wie eine Welle. Wenn sich ein Photon durch den Raum bewegt, zeigt es oszillierende elektrische und magnetische Felder und kann mit geladenen Teilchen interagieren. Diese Wechselwirkungen verlangsamen es und bewirken, dass es sich mit einer Geschwindigkeit bewegt, die geringer ist als die Lichtgeschwindigkeit, solange sie sich in einem Material befinden.

prisma zeigt, wie sich Licht unterschiedlicher Energien mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten durch ein Medium bewegt, aber nicht durch ein Vakuum. University of Iowa

Verschiedene Photonen haben unterschiedliche Energien, was auch bedeutet, dass ihre elektrischen und magnetischen Felder unterschiedlich schnell schwingen. Während die Geschwindigkeit aller verschiedenen Arten von Licht im Vakuum gleich ist, können diese Geschwindigkeiten in jeder Art von Medium unterschiedlich sein. Leuchten Sie weißes Licht (bestehend aus allen Farben) durch einen Wassertropfen oder ein Prisma, und die energiereicheren Photonen verlangsamen sich noch mehr als die weniger energiereichen, wodurch sich die Farben trennen.

Regenbogen entstehen durch Sonnenlicht, das mit Wassertröpfchen interagiert, während die verbleibenden Regenbogen durch zusätzliche Reflexionen im Wasser darunter entstehen. Farben trennen sich aufgrund der unterschiedlichen Lichtgeschwindigkeiten von Photonen unterschiedlicher Energien durch ein Medium, in diesem Fall Wasser. Terje O. Nordvik via NASA’s Astronomy Picture of the Day

So entsteht ein Regenbogen, wenn Licht durch Wassertröpfchen scheint, weil Photonen unterschiedlicher Energien mit den geladenen Teilchen in einem Medium um unterschiedliche Mengen interagieren (und sich verlangsamen).

Tröpfchen führen zu einer Lichttrennung in verschiedenen Winkeln, wobei sich rotes Licht schneller und violettes Licht langsamer durch das Medium Wasser bewegt. Science Learning Hub / public domain

Es ist jedoch wichtig, sich bei all dem daran zu erinnern, dass sich am Licht selbst nichts ändert. Es verliert keine Energie; es verändert nicht seine grundlegenden, intrinsischen Eigenschaften; es verwandelt sich nicht in etwas anderes. Alles, was sich ändert, ist der Raum um ihn herum. Wenn dieses Licht das Medium verlässt und in das Vakuum zurückkehrt, bewegt es sich wieder mit Lichtgeschwindigkeit im Vakuum: 299.792.458 Meter pro Sekunde. Tatsächlich kommt die Definition, die wir sowohl von Entfernung als auch von Zeit haben — was einen „Meter“ oder eine „Sekunde“ definiert — vom Licht selbst. Atome können Licht absorbieren oder emittieren, je nachdem, wie die Elektronen innerhalb eines Atoms übergehen.

Delta_f1, ist der Übergang, der den Meter, Sekunde und die Lichtgeschwindigkeit definiert. Fischer et al., The Journal of the Acoustical Society of America (2013)

Cäsium, das 55. Element des Periodensystems, hat 55 Elektronen in einem einzigen, stabilen, neutralen Atom. Die ersten 54 Elektronen leben typischerweise im niedrigsten Energiezustand, aber das 55. hat zwei mögliche Energieniveaus, die extrem nahe beieinander liegen. Wenn es von dem etwas höheren zu dem etwas niedrigeren übergeht, geht diese Energie in ein Photon einer ganz bestimmten, genau definierten Energie über. Wenn Sie 9.192.631.770 Zyklen dieses Photons nehmen, definieren wir so eine Sekunde. Wenn Sie die Entfernung nehmen, die es in 30,663319 Zyklen zurücklegt (was 9.192.631.770 geteilt durch 299.792.458 ist), erhalten Sie die Definition von einem Meter.

Das lehrt uns etwas phänomenal Tiefgründiges: solange Atome überall im Universum gleich sind, werden sich unsere Definitionen von Zeit, Länge und Lichtgeschwindigkeit niemals ändern, egal wo oder wann wir im Universum hinschauen.

Universum, die Physik der Atome und damit unsere Definitionen von Länge, Zeit und Lichtgeschwindigkeit sind genau gleich. NASA, ESA / Hubble, HST Frontier Fields

Was lernen wir also, wenn wir das alles zusammenfassen?

1. Licht, egal wie hoch oder niedrig die Energie ist, bewegt sich immer mit Lichtgeschwindigkeit, solange es sich durch das Vakuum des leeren Raums bewegt.
2. Nichts, was du mit deiner eigenen Bewegung oder der Bewegung des Lichts machst, wird diese Geschwindigkeit ändern.Indem Sie dieses Licht in ein Nicht-Vakuum-Medium leiten, können Sie seine Geschwindigkeit ändern, solange es sich in diesem Medium befindet.
3. Licht unterschiedlicher Energie ändert seine Geschwindigkeit je nach den Eigenschaften dieses Mediums um geringfügig unterschiedliche Beträge.
4. Sobald Sie dieses Medium verlassen und wieder in ein Vakuum zurückkehren, bewegt sich das Licht wieder mit Lichtgeschwindigkeit.
5. Und nach bestem Wissen und Gewissen hat die Lichtgeschwindigkeit zu allen Zeiten und an allen Orten im Universum den gleichen Wert von 299.792.458 m/ s.

In vielerlei Hinsicht ist Licht das einfachste Teilchen im Universum. Obwohl es sich immer mit Lichtgeschwindigkeit bewegt, bewegt es sich nicht immer durch völlig leeren Raum. Solange es Materie im Universum gibt, die für Licht transparent ist, können Sie nicht vermeiden, sie zu verlangsamen. Aber sobald dieses Licht wieder in den leeren Raum zurückkehrt, ist es wieder auf die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum, wobei sich jedes Photon bewegt, als hätte es sich nie mit einer anderen Geschwindigkeit bewegt!

Senden Sie Ihre Fragen an Ethan an startswithabang at gmail dot com!