Wolfgang Korsus Dipl.-Ing.NT, Astrophysiker
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Lichtgeschwindigkeit
Galilei fuhr also fort und er machte selbst einen Versuch mit einem Helfer. Dieser mußte sich etwas weiter entfernen und dann eine Lampe auf und zu decken. Jetzt versuchte Galilei zu messen, wie lange es für ihn brauchte, das zu erkennen. Natürlich bemerkte er, dass sich das Licht schneller als der Schall ausbreitet, aber gleichzeitig war ihm klar, um die Geschwindigkeit exakt zu bestimmen, waren bestimmt größere Abstände erforderlich. Wir ahnen das diese nur in astronomischen Bereichen möglich sind und es entstehen Fragen….
Durch diese entstehen zwei Gesichtspunkte :
Ist die Lichtgeschwindigkeit endlich, und wenn ja, was ist ihr Wert ?
Die Antwort auf den ersten Gesichtspunkt folgte, aber sie kam einige Jahrzehnte später von einem Ole Rømer. Ein wirklich hochbegabter Mann aus Aarhus in Dänemark.
Dieser Mann hatte in Kopenhagen Mathematik, Physik und Astronomie studiert und er war verheiratet. Ein wahrer „Hans in allen Gassen“. Er arbeitete ebenfalls“ für den französischen König Louis XIV. am Entwurf der Springbrunnen von Versailles, dort begann auch seine Laufbahn als Astronom. Zu diesem Wirken nehme ich noch Stellung. Nach seinem erfolgreichen Frankreichaufenthalt kehrte Rømer als ein sogenannter „königlicher Hofmathematiker» nach Kopenhagen zurück. Auch hier war er schöpferisch tätig. Er führte das erste dänische System von Maßen und Gewichten sowie den Gregorianischen Kalender ein. Selbst das Amt des Direktors der Kopenhagener Polizei erreichte er und in dieser Eigenschaft ließ er dort die erste Straßenbeleuchtung errichten.
Ein wahrer Tausendsassa!
Zurück nach Paris und zur Astronomie…und das führt uns zurück zu dem Astronomen Rømer. Wir wissen, er war Betrauter von dem Astronomen Giovanni Domenico Cassin und der war sehr eng mit dem Planeten Jupiter beschäftigt.
Dem größten aller Planeten und Fünfter im Abstand von der Sonne, dieser hatte einen Mond namens „Io“. Er umrundete Jupiter alle 42 Stunden und das stand im starken Gegensatz zu den 28 Tagen, denn die braucht unser Mond für seine Erd-Umrundung.
Das wiederum führte zu der immer wahrzunehmenden Vielzahl von Io-Eklipsen (das ist eine Finsternis, also eine Verfinsterung eines Himmelskörpers durch die Bedeckung eines anderen ) bei jedem Stand der Erde in ihrer Bahn um die Sonne; die erklärende Geometrie habe ich in der nächsten Abbildungen dargestellt. Eine jetzt erlangte Feststellung war begründet durch einen Fahrplan. Dieser zeigte den Herren alle Zeiten für das beobachtete Verschwinden von Io hinter Jupiter an. Auch die Zeiten zwischen zwei Eklipsen waren feststellbar.
Cassinis überraschende Feststellung war, dass sich der Anfang einer Eklipse verspätete ; sich zunehmend also mehr und mehr und zwar je weiter Erde und Jupiter auseinander waren. Er grübelte fortwährend, war sich bezüglich des „Lichts“ und seiner Bewegung nicht ganz sicher. Seine Gedanken begannen etwas zu vermuten …!?Das Licht braucht wohl möglicherweise einige Zeit uns zu erreichen; er ließ den Gedanken fallen.
Aber Rømer nahm diesen wieder auf, kombinierte ihn mit einer Anzahl verschiedener Messungen, extrapolierte die Ergebnisse und war der Ansicht die Zeitverschiebung zwischen dem Punkt der größten Entfernung von Erde und Jupiter (a) und dem der kleinsten Entfernung (b) etwa 22 Minuten betrug. Er kam dann zu dem Schluss dass die Lichtgeschwindigkeit endlich ist und die 22 Minuten gerade die Zeit sind, die das Licht braucht, um den Durchmesser der Erdbahn um die Sonne zu durchqueren.
Ole Rømer benutzte also die Konstellation zur Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit.
Auch den zweiten Teil der Ausgangsfrage löste er, nämlich den tatsächlichen Wert der Lichtgeschwindigkeit zu bestimmen. Dazu gehörte es diese bestimmte Größe der Erdbahn um die Sonne zu kennen. Welche Entfernung legte das Licht in diesen gewissen 22 Minuten zurück?
Denn diese Entfernung, teilt man durch 22 Minuten, das würde dann die Lichtgeschwindigkeit ergeben.
Informationen die brauchbar und notwendig waren um zum Thema Lichtgeschwindigkeit etwas sagen zu können waren anscheinend damals schon vorhanden. sie beruhten auf den Messungen von Cassini. Später dazu mehr. Aber einen numerischen Wert zeigte man 1675 auf, das fand erst zwei Jahre nach Ole Rømers Ergebnissen statt. Diesmal war es der holländische Physiker Christiaan Huygens.
Kepler wiederum selbst hatte in seinem dritten Gesetz über die Planetenbewegungen bemerkt, dass die Umlaufzeit eines Planeten um die Sonne durch seine Entfernung von der Sonne bestimmt ist. Daraus war es möglich die relativen Sonnenabstände der Planeten zu bestimmen, und man fand, dass die Entfernung des Mars von der Sonne das Anderthalbfache des Erde-Sonne-Abstands betrug.
Jetzt benötigte man also irgendeine astronomische Entfernung in irdischen Maßen, denn schließlich sollte eine eine wirklich, reale, Länge ermittelt werden. Nennen wir das Unternehmen eine wissenschaftliche „Eichung“. Das wurde eine Aufgabe für Cassini und seinen Mitarbeiter Jean Richer. Sie bestimmten völlig unabhängig von einander zur gleichen Zeit die Position des Mars vor dem Fixsternhintergrund. Der eine, nämlich Cassini in Paris und Richer in Guayana.
Was hatten diese Beiden damit aufgebaut ? Ja, erstens einen „Winkel“ und zweitens eine Strecke oder besser Distanz auf diesem Planeten – die 4000 Km zwischen Paris und Guayana
Es zeigte sich dadurch eine Entfernung, nämlich zwischen Mars und der Erdbahn, so um die 73 Mill. Kilometer.Zusätzlich der Abstand Erde – Sonne, ca. 146 Mill. Kilometer. Dieser Christiaan Huygens war ein bedeutender niederländischer Physiker, Mathematiker und Astronom. jetzt dividierte er das Doppelte dieser Entfernung, also den Durchmesser der Erdbahn, durch Rømers 22 Minuten …….und erhielt eine Lichtgeschwindigkeit.
Der Wert entsprach dann 220.000 Kilometer pro Sekunde.
Das Ergebnis, oder besser dieser Wert vor mehr als dreihundert Jahren erzielt wurde halt von den zugehörigen Wissenschaftlern nicht einfach aus der Luft gegriffen. Es war ein Ergebnis aus einer Kombination von Logik, Abstraktion und einfachsten Messungen. Ich würde es sicher als eine der größten Leistungen der Naturerforschung bezeichnen. Betrachter man diesen Wert genauer, kommt man zu der bemerkenswerten Schlussfolgerung: Der Wert liegt nur 25 % unter dem heutigen Präzisionsergebnis, von 299 792,458 km/s, das gemessen wurde mit Radiosignalen zwischen Weltraumsatelliten.
Das Licht der Sonne muss demnach tatsächlich den Zwischenraum durchqueren, bevor es die Erde erreicht, und das hat sich Empedokles vor schon zweitausend Jahren vorgestellt. Licht fliegt also durch den leeren Raum, aber was genau fliegt da ? Nächste Frage, was bewegt sich da mit 300.000 Kilometern pro Sekunde?
Fragen haben es meistens so an sich das sie auf ein bemerkenswertes Ereignis führen. Das geschieht in der unbelebten und teilweise auch in unser belebten Welt. Es ist der „Elektromagnetismus“. Doch es ist vorweg festzustellen Elektrizität und Magnetismus traten als zwei völlig verschiedene Naturereignisse damals noch auf.
Der Auftritt von Elektrizität innerhalb der sichtbaren Welt war schon lange bekannt. Die Blitze z.B. galten aus Zorn der Götter, das Bernsteinreiben mit Katzenfell, und noch viele Beispiele mehr. So entstand schon der Namen „elektron“ (griechisch für Bernstein).
Aber es ist kaum zu glauben ca. 1500 Jahre gingen vorbei bevor man alle diese Erscheinungen in einen Zusammenhang mit der Elektrizität bringen konnte. Und aus heutiger Sicht darf man sagen, erst die letzten hundert Jahre hat die Elektrizität unser menschliches Leben grundsätzlich verändert oder sogar bereichert ?
Auch der Magnetismus erschien zunächst sehr erklärbarer und einfacherer Natur zu sein. Schon vor Tausenden von Jahren hatte man in China den ersten Kompass entdeckt und wandte ihn zur Seefahrt an. Im antiken Griechenland beschrieb der Thales von Milet diesen Effekt, und da die fraglichen «Steine» dort aus einer Provinz namens Magnesia kamen, nannte er sie magnetisch.
Teil der eigentlichen Naturwissenschaft wurden Elektrizität und Magnetismus erst vor weniger als dreihundert Jahren, denn man entdeckte zwei Arten von Elektrizität, rein willkürlich als positiv /negativ bezeichnet. Beide konnten z.B. durch Reiben erzeugt werden, und jede Art konnte für sich existieren. Wenn man zwei Bälle mit verschiedenen «Ladungen» präparierte, zogen sich ungleiche an, während gleiche sich abstießen – in beiden Fällen mit einer geheimnisvollen Kraft, die über die Trennungsentfernung hinweg wirkte. In Frankreich zeigte 1785 Charles Augustin de Coulomb, dass diese Kraft eine ganz ähnliche Form hat wie die von Newtons Schwerkraft. In beiden Fällen fällt sie ab mit dem Quadrat des Abstands. Im Fall der Elektrizität wird ihre Stärke bestimmt durch das Produkt der Ladungen, im Fall der Schwerkraft durch das der Massen. Allerdings gibt es bei der Elektrizität sowohl Anziehung als auch Abstoßung, während die Schwerkraft dies nicht kennt, sie bleibt immer anziehend.
Lassen wir die in einem kleinen Rahmen noch etwas mehr über Elektrizität und Magnetismus aus der Forschungskiste an die Luft….
Zuerst die Ladungen, völlig unabhängig voneinander können sie existieren und ebenfalls verhält sich deren Erzeugung. Magnete fallen da etwas aus der Reihe, sie haben zwei entgegengesetzte Pole, wie bekannt, einen „Nordpol» und einen «Südpol».
Positive und negative Ladungen können unabhängig voneinander existieren und auch unabhängig voneinander erzeugt werden. Magnete hingegen sind eher seltsam. Sie haben zwei entgegengesetzte Pole, einen „Nordpol und einen Südpol“. Was passiert also wenn man zwei von ihnen nebeneinander legt ?…Nord und Süd ziehen sich an, aber gleich und gleich stoßen sich ab. Ebenfalls fehlt die Möglichkeit einen zu isolieren.
Und sollte man einen Magneten zerteilen erhält man grundsätzlich zwei neue. Wenn man einen Magneten Zerschneidet, erhält man zwei neue, jeweils wieder mit Nord- und Südpol.
Auch die Methode einen Monopol zu erhalten wurde bis heute von keinem Physiker erreicht. Wichtig zu erwähnen das die Kraft zwischen zwei Magneten etwas schwächer als die zwischen zwei Ladungen ist. Es ist die Kombination von Anziehung und Abstoßung, da ja immer beide Pole ins Spiel kommen. Aber die Kraft ist auch hier wieder eine Form von unsichtbarer Fernwirkung.
Sowohl elektrische wie auch magnetische Kräfte haben eine seltsame Fähigkeit, die auch bei der Schwerkraft auffällt…….Sie können über Entfernungen wirken, ohne irgendwelche erkennbare Verbindung zu zeigen. ..und das wundert uns wie so etwas möglich ist. Gibt es vielleicht doch ein unsichtbares Medium, das den ganzen Raum ausfüllt und auf diese Weise die fehlende Verbindung herstellt?
Michael Faraday, ein britischer Physiker war dann einer der Ersten der eine Antwort zu dieser Frage abgab. Besser ist wohl vorschlug…er meinte, dass jede Ladung von einem elektrischen Kraftfeld umgeben ist. Es hat sternförmige Kraftlinien und diese Strahlen dementsprechend in alle Richtungen aus. Letztendlich reagiert dieses Feld auf die Anwesenheit anderer Ladungen, von gleichen Weg und entgegengesetzten hin.
Jetzt kam noch ein, sagen wir seltsamer Zusammenhang hinzu. Ein Christian Ørsted in Kopenhagen stellte fest Elektrizität und Magnetismus treten zusammen auf.
Es geht weiter Teil 7 c