Wie konstant ist die Lichtgeschwindigkeit?

News: Wie konstant ist die Lichtgeschwindigkeit?

Die Unabhängigkeit der Lichtgeschwindigkeit von Ort und Bewegung eines Beobachters ist eine der Grundvoraussetzungen der Speziellen Relativitätstheorie. Und so ist es durchaus wichtig, etwaige Abweichungen von dieser Annahme so genau wie irgend möglich zu bestimmen. In einem Langzeitexperiment gelang es Physikern, die Grenzen, innerhalb derer sich die "Naturkonstante" ändern könnte, deutlich enger zu fassen als es bisher möglich war.

Thorsten Krome

Die Spezielle Relativitätstheorie ist, zumindest dem Namen nach, weit geläufig und bildet heute einen der Grundpfeiler der modernen Physik. Dabei setzt man im Rahmen der Theorie unter anderem voraus, dass die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum für alle Beobachter gleich ist – unabhängig, ob dieser ruht oder sich mit einer bestimmten Geschwindigkeit bewegt. Aus dieser Annahme folgen letztlich alle mehr oder weniger anschaulichen Folgerungen der Theorie wie beispielsweise die Zeitdilatation und die Längenkontraktion.

Dabei war die Vorstellung, dass die Lichtgeschwindigkeit konstant ist, durchaus gewöhnungsbedürftig. Und Wissenschaftler führten so manches Experiment durch, um das Gegenteil zu zeigen – erfolglos, zumindest im Rahmen ihrer Messgenauigkeit. Doch spricht prinzipiell nichts dagegen, dass es vielleicht doch winzig kleine Variationen der Konstante gibt, die bisher einfach nicht zu messen waren, weshalb es auch heute noch Sinn macht, Experimente dazu mit erhöhter Genauigkeit durchzuführen.

Hier ist zunächst das Michelson-Morley-Experiment zu nennen, das in erster Linie dazu dient, die Unabhängigkeit der Lichtgeschwindigkeit von der Richtung zu demonstrieren. Hierbei werden zwei Lichtstrahlen, die einen Teil ihres Weges senkrecht zueinander zurücklegen, miteinander überlagert und zur Interferenz gebracht. Der Versuchsaufbau lässt sich drehen, wobei sich etwaige Richtungsabhängigkeiten der Lichtgeschwindigkeit durch Änderungen des Interferenzbildes zeigen sollten.

Beim Kennedy-Thorndike-Experiment steht der Versuchsaufbau hingegen fest im Labor und folgt also allein der Erdbewegung, sodass sich nur die täglichen und jährlichen Änderungen beobachten lassen, die sich aufgrund der Rotation der Erde und ihrer Bewegung um die Sonne ergeben. Da sich die Erde auf einen äußeren Fixpunkt so im Laufe des Jahres mit einer Geschwindigkeit von bis zu 30 Kilometern pro Sekunde zu bewegt beziehungsweise von diesem weg bewegt, lässt sich mit diesem Experiment eine etwaige Änderungen aufgrund eben dieser Geschwindigkeit feststellen.

Doch während der Versuch nach Michelson und Morley recht genaue Ergebnisse liefert, waren die Ergebnisse des Kennedy-Thorndike-Experiments weit weniger präzise – bislang, denn Claus Braxmaier von der Universität Konstanz und seine Kollegen führten von Oktober 1997 für 190 Tage ein deutlich genaueres Experiment durch.

Dazu verwendeten sie einen bei vier Kelvin tiefgekühlten Saphir-Kristall als optischen Resonator. Das Material weist bei dieser Temperatur so gut wie keine Längenänderungen auf, sodass Licht darin eine stehende Welle mit fester Frequenz ausbildet. Wenn nun eine Frequenzänderung auftritt, dann kann dies nur Folge einer Änderung der Lichtgeschwindigkeit sein. Um solche Frequenzänderungen möglichst genau zu detektieren, verglichen die Wissenschafter die Resonatorfrequenz mit einem unabhängigen Standard – einer Art Atomuhr.

Auf diese Weise konnten die Forscher den Bereich möglicher Abweichungen der Naturkonstante neu bestimmen und die Gesamtgenauigkeit, mit der sich die Spezielle Relativitätstheorie verifizieren lässt, um den Faktor Drei steigern. Ja sogar eine hundertfache Verbesserung wäre wohl mit diesem Experiment im Prinzip möglich.