Es gibt keine Möglichkeit, die Lichtgeschwindigkeit in eine Richtung zu messen

Es gibt keine Möglichkeit, die Lichtgeschwindigkeit in eine Richtung zu messen

Besondere Relativitätstheorie ist eine der am meisten validierten Theorien Die Menschheit hat nie erfunden. Es ist das Herzstück von Raumfahrt und GPS bis hin zu unserem Stromnetz. Das zentrale Element der Relativitätstheorie ist die Tatsache, dass die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum eine absolute Konstante ist. Das Problem ist, dass diese Tatsache nie bewiesen wurde.

Als Einstein die Relativitätstheorie vorschlug, sollte erklärt werden, warum Licht immer die gleiche Geschwindigkeit hatte. In den späten 1800er Jahren glaubte man, dass Licht, da es sich in einer Wellenform bewegt, von einer Art unsichtbarem Material getragen werden muss, das als leuchtender Äther bekannt ist. Der Grund war, dass Wellen ein Medium erfordern, wie Schall in der Luft oder Wasserwellen im Wasser. Wenn der Äther existiert, muss sich die beobachtete Lichtgeschwindigkeit ändern, wenn sich die Erde durch den Äther bewegt. Die Messungen zur Beobachtung der Ätherdrift sind jedoch auf Null gekommen. Die Lichtgeschwindigkeit schien konstant zu sein.

Einstein entdeckte, dass das Problem darin bestand, anzunehmen, dass Raum und Zeit absolut waren und dass die Lichtgeschwindigkeit variieren konnte. Wenn Sie im Gegenteil davon ausgehen, dass die Lichtgeschwindigkeit absolut ist, müssen Raum und Zeit durch Relativbewegungen beeinflusst werden. Es ist eine radikale Idee, aber sie wird durch jede Messung der konstanten Lichtgeschwindigkeit unterstützt.

So messen Sie die Umlaufgeschwindigkeit des Lichts. Bildnachweis: Wikipedia-Benutzer Krishnavedala

Aber mehrere Physiker haben darauf hingewiesen, dass wenn Relativität Angenommen Die Vakuumgeschwindigkeit des Lichts ist eine universelle Konstante und zeigt auch, dass die Geschwindigkeit niemals gemessen werden kann. Genauer gesagt, Relativitätstheorie verhindert, dass Sie die Zeit messen, die das Licht benötigt, um von Punkt A nach Punkt B zu gelangen. Um die Lichtgeschwindigkeit in eine Richtung zu messen, benötigen Sie an jedem Ende eine synchronisierte Stoppuhr. Die Relativbewegung beeinflusst jedoch die Geschwindigkeit Ihrer Uhren im Verhältnis zur Lichtgeschwindigkeit. Sie können sie nicht synchronisieren, ohne die Lichtgeschwindigkeit zu kennen, die Sie ohne Messung nicht kennen können. Was Sie tun können, ist, mit einer einzigen Stoppuhr die Umlaufzeit von A nach B zurück nach A zu messen, und genau das macht jede Lichtgeschwindigkeitsmessung.

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Da die volle Umlaufgeschwindigkeit der Lichtmessungen ein konstantes Ergebnis liefert, könnten Sie denken, Sie könnten die Zeit nur halbieren und sie einen Tag nennen. Genau das hat Einstein getan. er angenommen Die Hin- und Rückfahrt war dieselbe. Unsere Experimente stimmen mit dieser Hypothese überein, aber sie stimmen auch mit der Vorstellung überein, dass die Lichtgeschwindigkeit, die auf uns zukommt, zehnmal schneller ist als die Geschwindigkeit, die sich von uns entfernt. Licht muss nicht in alle Richtungen eine konstante Geschwindigkeit haben, sondern nur eine konstante „durchschnittliche“ Umlaufgeschwindigkeit. Die Relativitätstheorie bleibt bestehen, wenn die Lichtgeschwindigkeit anisotrop ist.

Ein Milne-Universum mit anisotropem Licht würde einheitlich aussehen. Bildnachweis: Wikipedia-Nutzer BenRG

Wenn die Lichtgeschwindigkeit mit ihrer Bewegungsrichtung variiert, würden wir das Universum anders sehen. Wenn wir entfernte Galaxien betrachten, blicken wir in die Zeit zurück, weil es lange dauert, bis das Licht uns erreicht. Wenn das ferne Licht uns schnell in eine Richtung erreichen würde, würden wir das Universum in dieser Richtung als älter und umfangreicher sehen. Je schneller das Licht uns erreicht, desto weniger werden wir „in der Zeit zurück“ sehen. Da wir einen einheitlichen Kosmos in alle Richtungen beobachten, zeigt dies sicherlich, dass die Lichtgeschwindigkeit konstant ist.

Nun, nicht ganz, wie eine neue Studie zeigt. Es stellt sich heraus, dass die Lichtgeschwindigkeit mit der Richtung variiert, aber auch die Kontraktion der Länge und die Ausdehnung der Zeit. Das Team untersuchte die Auswirkungen von anisotropem Licht auf ein einfaches relativistisches Modell, das als Milne-Universum bekannt ist. Es ist im Grunde ein Spielzeuguniversum, dessen Struktur der Beobachtung ähnelt, aber ohne all die Materie und Energie. Sie entdeckten, dass die Anisotropie des Lichts anisotrope Relativitätseffekte bei der Zeitdilatation und der kosmischen Expansion verursachen würde. Diese Effekte würden die beobachtbaren Aspekte einer variablen Lichtgeschwindigkeit negieren. Mit anderen Worten, selbst wenn das Universum aufgrund einer unterschiedlichen Lichtgeschwindigkeit anisotrop wäre, würde es dennoch homogen erscheinen.

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Es scheint also, dass die einfache Kosmologie auch Einsteins Hypothese über die Lichtgeschwindigkeit nicht beweisen kann. Manchmal sind die grundlegendsten Ideen in der Wissenschaft am schwierigsten zu beweisen.

Referenz: Lewis, Geraint F. und Luke A. Barnes. “”Die Einweg-Lichtgeschwindigkeit und das Milne-Universum.“” Preprint arXiv arXiv: 2012.12037 (2020).

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