Kommentare zum Stichwort Lichtausbreitung
 
Heißt Konstanz der Lichtgeschwindigkeit nur Unabhängigkeit von der Geschwindigkeit der Quelle?

Das Prinzip der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit bezieht sich auf die Unabhängigkeit von jeder Geschwindigkeit, mit der sie zusammengesetzt werden muss, nicht nur von der Geschwindigkeit der Quelle. Letzteres ist schon 100 Jahre früher festgestellt worden und stellte gerade für die Wellentheorie ein Problem dar, weil das Relativitätsprinzip (eine Geschwindigkeit muss sich immer auf ein äußeres Objekt beziehen) nun einen Äther verlangte (eben das Objekt, auf das sich die Lichtgeschwindigkeit beziehen kann).
   Die stellare Aberration blieb dennoch unerklärlich, wenn man diesem Äther nicht die schöne Eigenschaft zuschrieb, widerstandlos durch alle Materie zu blasen (wie wir heute wissen, können das die Neutrinos - fast). Nachdem der Michelson-Versuch gezeigt hatte, dass der Äther dies nicht tut, war man gezwungen, für die Aberration eine andere Lösung zu finden. Lorentz fand sie in der Relativität der Gleichzeitigkeit. Es war Einstein, der mit dem Postulat:

Die Lichtgeschwindigkeit ändert ihren Betrag nicht, wenn man sie mit anderen Geschwindigkeiten zusammensetzt.

alles klären konnte. Es geht um den Betrag der Lichtgeschwindigkeit. Er ist eine Naturkonstante, und sie wurde schon von Kohlrausch und Weber 1854 gefunden. Einsteins geniale Idee war, diese Konstanz als Axiom zu setzen. Nun konnte er alles ableiten, was vorher so konstruiert und unzusammenhängend aussah.
   Die Göttinger Mathematiker (Minkowski, Klein, Hilbert) haben sicher nur wie die Auguren gelächelt und sofort gesehen, das Einsteins Prinzip ein geometrisches Prinzip vor aller Physik ist, vor allem Zweifel über Teilchen und Welle. An der Theorie der elektromagnetischen Wellen hat denn auch Einsteins Prinzip nichts geändert, wohl aber an der Mechanik. Es war von vornherein ein Prinzip für die Mechanik, und eine der ersten Folgerungen war die Äquivalenz von Energie und Masse (1907).
   Was das Licht betrifft, brachte die Entdeckung der Quantelung beim Austausch von Energie die Newtonsche Emanationstheorie wieder in die Diskussion (Walter Ritz), und die verbesserte Beobachtungsmöglichkeit der Doppelsterne ergab die Möglichkeit, die Galileische und die Einsteinsche Zusammensetzung der Geschwindigkeiten gegeneinander zu testen.
   Im Übrigen: die Dualität von Welle und Teilchen, wie sie gewöhnlich gesehen wird, hat nichts mit der Quantenmechanik zu tun. Sie tritt schon in der Unterscheidung von Phasen- und Gruppengeschwindigkeit und in mechano-optischen Analoga in Erscheinung. Was die Quantenmechanik liefert, ist eine Art Wellengleichung für Wahrscheinlichkeitverteilungen, und diese betreffen sowohl Teilchen als auch Wellen.

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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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