Ein Lichtjahr misst keine Jahre: Es ist die Einheit, mit der Wissenschaftler das Unberechenbare berechnen

Die Lichtgeschwindigkeit veränderte unser Verständnis vom Universum: vom Äther zu Einstein, von gleich um die Ecke zu Lichtjahren entfernt.

Der konstante Wert des Lichts, wenn es sich durch ein Vakuum bewegt, ist eine der Säulen der modernen Astronomie für die Berechnung von Entfernungen.

Das wichtigste Werkzeug, über das Astronomen verfügen, um alles rund um den Kosmos zu erforschen, ist das Licht. Mit seiner Hilfe können wir das Alter, die Zusammensetzung, die Größe und vor allem die Entfernung zwischen Objekten bestimmen.

Vor einiger Zeit glaubten Wissenschaftler, dass es ein Element namens Äther gebe, das das gesamte Universum durchdringe und als Medium diene, durch das sich Licht ausbreite und Objekte bewegten. Mit seiner Hilfe versuchten sie, die Bewegung von Körpern im Kosmos zu erklären und zu berechnen.

Später versuchte Galileo Galilei, die Natur der Bewegung zu verstehen und die Geschwindigkeit zu messen, mit der sich Körper – insbesondere Licht – bewegten. Er scheiterte. Die Technologie, die ihm vor vier Jahrhunderten zur Verfügung stand, ermöglichte es ihm nicht, etwas so Schnelles zu messen.

Im 19. und 20. Jahrhundert traten Unstimmigkeiten auf, als Wissenschaftler versuchten, das Verhalten von Elektronen aus der Perspektive des klassischen Elektromagnetismus zu erklären. Wir mussten auf das Aufkommen der Quantenmechanik warten, um ihre wahre Natur zu verstehen.

Albert Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie erklärt uns, welchen Weg das Licht nimmt, wenn es in der Nähe massereicher Objekte vorbeistreift, und wie es sich dabei krümmt.

Das Tüpfelchen auf dem i kam jedoch, als Albert Einstein in seiner Speziellen Relativitätstheorie feststellte, dass eine der fundamentalen Konstanten des Universums die Lichtgeschwindigkeit ist und dass jede Untersuchung von Bewegung in Bezug auf diese Konstante durchgeführt werden muss.

Elektronen, Quantenmechanik und Licht

Eine der wichtigsten Verbindungen zwischen Lichtgeschwindigkeit und Relativitätstheorie wurde entdeckt, als Albert A. Michelson und Edward W. Morley ein Experiment durchführten, das konzeptionell dem von Galileo ähnelte, jedoch mit größerer technologischer Präzision durchgeführt wurde. Sie schickten einen Lichtstrahl in zwei senkrechte Richtungen und verglichen die Laufzeiten. Sie stellten keinerlei Unterschied fest.

Das konnte nur bedeuten, dass Äther nicht existierte und dass die Lichtgeschwindigkeit in alle Richtungen gleich war. Jahrzehnte später, mit der Entwicklung der Quantenmechanik, wurde entdeckt, dass Lichtteilchen – Photonen – sich immer genau mit dieser Geschwindigkeit bewegen.

All diese Zufälle veranlassten Einstein dazu, seine Relativitätstheorien zu formulieren, in denen das Licht eine zentrale Rolle spielt. Insbesondere die Spezielle Relativitätstheorie schließt den Äther als universelles Medium aus und legt die Lichtgeschwindigkeit als fundamentale Naturkonstante fest.

Dieser gesamte Weg trug dazu bei, seine kosmische Bedeutung zu festigen, da über das hinaus, was durch die Astronomie gelernt wurde, dem Licht wesentliche physikalische Eigenschaften zugewiesen wurden, die zum Verständnis stellaren Vorgänge und zur genaueren Berechnung von Entfernungen erforderlich waren.

Licht, Entfernung und Jahre?

Was hat das alles nun mit Entfernung zu tun? Nichts … und alles. Das Obige war eine Einführung dazu, wie der Wert der Lichtgeschwindigkeit bestimmt wurde, von dem wir heute wissen, dass er genau 299.792.458 Meter pro Sekunde beträgt.

Ein Wert, der, soweit wir wissen, überall im Kosmos konstant ist. Es gibt kein besseres Werkzeug als etwas Unveränderliches, um so enorme Entfernungen wie die im Universum zu messen.

Die ungefähre Zeit, die das Licht der Sonne benötigt, um die Erdoberfläche zu erreichen, beträgt 8 Minuten oder etwa 150 Millionen Kilometer.

Das typische Beispiel, das Astronomen verwenden, wenn jemand uns danach fragt, ist die Zeit, die das Licht benötigt, um von der Sonne zu unserem Gesicht zu gelangen: „Acht Minuten!“, sagen wir mit der Zuversicht von jemandem, der eine allgemein anerkannte physikalische Tatsache wiedergibt.

„Moment mal!“, könnte jemand sagen. „Haben wir nicht über Entfernungen gesprochen? Warum redest du jetzt mit mir über Zeit?“ Die Antwort liegt in einer menschlichen Gewohnheit, Konzepte zu vermischen – die jedoch eine physikalische Grundlage hat: Entfernung ergibt sich aus Geschwindigkeit und Zeit, der realen Zeit, nicht der meteorologischen.

Lichtjahre messen NICHT die Zeit

Nachdem dies nun geklärt ist, lassen Sie uns ernsthaft werden und eine schnelle Berechnung durchführen. Erinnern wir uns an die Formel für die Geschwindigkeit, die man erhält, indem man die Entfernung durch die Zeit teilt. Aus praktischen Gründen runden wir die Lichtgeschwindigkeit auf 300.000 Kilometer pro Sekunde.

Das bedeutet, dass Licht pro Sekunde 300.000 Kilometer zurücklegt. Wenn wir den Umfang der Erde nehmen – etwa 40.000 Kilometer – könnten wir mit dieser Geschwindigkeit in einer einzigen Sekunde fast siebeneinhalb Mal um den Planeten fliegen. Wirklich erstaunlich.

Die natürliche Frage lautet: Wenn das die in einer Sekunde zurückgelegte Strecke ist, wie groß ist dann die in einem Jahr zurückgelegte Strecke? Wir multiplizieren einfach diese 300.000 Kilometer mit der Anzahl der Sekunden in einem Jahr und erhalten so ungefähr 9,5 Billionen Kilometer.

Ein Maß, das in der Astronomie äußerst nützlich ist, um unüberschaubare Zahlen zu vermeiden, und das es uns beispielsweise ermöglicht zu sagen, dass der der Sonne am nächsten gelegene Stern, Proxima Centauri, etwa 4,2 Lichtjahre entfernt ist. Wenn wir jedoch noch weiter gehen wollen, müssen wir Parsecs verwenden... aber das ist ein Thema für den nächsten Teil.