Hat Licht unterschiedlicher Wellenlänge auch unterschiedliche "Lichtgeschwindigkeiten"?
Ja und nein, lautet die Antwort.
Nein, wenn die Ausbreitung im Vakuum gemeint ist. Dort hat Licht aller Wellenlängen die gleiche Geschwindigkeit. Die Vakuumlichtgeschwindigkeit c beträgt 299 792 458 Meter pro Sekunde, das sind etwa 300 000 Kilometer pro Sekunde.
Die Lichtgeschwindigkeit nimmt jedoch ab, wenn Licht ein Material durchläuft. Wie stark das geschieht, hängt einerseits von der Wellenlänge des Lichtes ab, andererseits vom Material. Licht trägt, als elektromagnetische Welle, ein elektrisches Feld mit sich. Damit kann es die elektrischen Ladungen verschieben, die in einem Material vorhanden sind. Physiker sprechen von einer Polarisation. Es entsteht ein „Gegenfeld“, in dem die Ausbreitung des Lichts verzögert wird, seine Geschwindigkeit sinkt.
Je nach Wellenlänge kann das Licht ein Material besser oder schlechter polarisieren und so seine Ausbreitungsgeschwindigkeit mehr oder weniger stark ändern. Mit der Geschwindigkeit des Lichtes ändert sich auch seine Wellenlänge, wenn es vom Vakuum in ein Material übergeht. Unverändert bleibt nur die Frequenz.
Ein Beispiel: In Luft ist die Lichtgeschwindigkeit kaum geringer als im Vakuum. In Wasser sinkt die Geschwindigkeit von gelbem Licht auf etwa drei Viertel der Vakuumlichtgeschwindigkeit, in Glas auf rund zwei Drittel. Violettes Licht breitet sich in beiden Materialien etwas langsamer aus als das Gelbe. Obwohl dieser Effekt klein ist, kann man seine Auswirkung im Alltag einfach sehen: nimmt man eine Sammellinse, z.B. eine Lupe, und bildet damit einen schwarz-weißen Gegenstand auf ein weißes Papier ab, dann erscheinen seine Kanten im Bild farbig. Dieser Effekt heißt Farbfehler und wird in Fotoobjektiven durch eine geeignete Anordnung von unterschiedlichen Linsen korrigiert.
Die Frage wurde beantwortet von Dr. Norbert Esser, ISAS - Institute for Analytical Science.
MDR-Wissen-Leser Axel Mieth aus Meißen wunderte sich über folgendes Phänomen der Astrophysik: Eine der ältesten Galaxien im Universum, die wir mit Teleskopen sehen können, ist zwölf Milliarden Lichtjahre von uns entfernt. Das Universum ist aber nur etwa 13 Milliarden Jahre alt. Wie geht das?
Hat sich die Galaxie selbst also mit Lichtgeschwindigkeit vom Zentrum des Urknalls entfernt, um schon eine Milliarde Jahre nach dem Beginn des Universums dort zu sein, wo sie das Licht ausgesendet hat, das uns nach zwölf Milliarden Jahren heute erreicht? Wäre das nicht nach den Gesetzen der Einsteinschen Theorien unmöglich? Gibt es also doch Materie, die sich genauso schnell oder schneller als das Licht bewegen kann, das etwa 300.000 Kilometer pro Sekunde zurücklegt?
Der Weltraum wurde größer
Die Galaxie, die da weit draußen ihr Licht zu uns sendet, strahlt uns die Antwort direkt in die Teleskope. Sie scheint zu rufen, na klar geht das! Na klar schaut mich doch an, wo ich bin. Ich hab in 13 Milliarden Jahren 12 Milliarden Lichtjahre zurückgelegt. Auf diese klare Botschaft legt Astrophysiker Hendrik Hildebrandt sogar noch einen drauf: "Es ist sogar so, dass sich diese Galaxie mit einer Geschwindigkeit von uns fortbewegt, die größer ist als die Lichtgeschwindigkeit." Und damit ist sie nicht mal etwas Besonderes im Universum. "Man kann immer zwei Punkte finden in einem homogen expandierenden Universum, die sich mit mehr als Lichtgeschwindigkeit voneinander entfernen. Insofern nicht überraschend für den Kosmologen."
Geht es doch schneller als Lichtgeschwindigkeit?
Überraschend aber für alle, die im Physikunterricht aufgepasst haben. Denn schneller als Lichtgeschwindigkeit geht nicht, laut Einstein. "Die Lichtgeschwindigkeit ist ein heiliges Limit und wenn ich jetzt davon spreche, dass diese Galaxie sich mit einer Geschwindigkeit von uns wegbewegt, die höher ist als die Lichtgeschwindigkeit, dann meine ich damit etwas anderes", sagt Hildebrandt. "Und zwar, dass sowohl unsere Galaxie als auch diese andere Galaxie beide im Raum ruhen, aber der Raum zwischen den Galaxien sich ausgedehnt hat."
Ursache: Die Raumzeit
Damit kommt der entscheidende Begriff in die Diskussion: Die Raumzeit. Sie bietet eine Erklärung, wie es sein kann, dass sich zwei Objekte mit Licht- oder Überlichtgeschwindigkeit voneinander entfernen können, obwohl sie sich selbst kaum bewegen. "Es gibt den Vergleich mit einem Hefeteig mit Rosinen: Die Rosinen selbst ruhen innerhalb des Teiges, aber der Teig geht auf und dadurch entfernen sich die Rosinen voneinander."
Und dieser Teig, der sinnbildlich für den Raum steht, für den zählt Geschwindigkeit nicht. Der hat kein Limit wie irgendwelche Teilchen, erklärt Astrophysiker Bruno Leibundgut: "Das Skurrile daran ist, dass der Raum sich nicht an physikalische Gesetze halten muss. Das bedeutet, sie können den Raum zum Beispiel mit Überlichtgeschwindigkeit ausdehnen."
Überlichtgeschwindigkeit heißt nicht nur ein bisschen schneller als Lichtgeschwindigkeit, sondern sehr, sehr viel schneller. Das hat in der Vergangenheit des Universums auch dazu geführt, dass sich Galaxien oder Bereiche im Universum innerhalb von Sekunden Tausende oder Milliarden Lichtjahre voneinander entfernt haben, ohne sich dabei selbst großartig zu bewegen. Wozu der Raum fähig ist, beschreibt Professor Martin Ammon aus Jena anhand der Theorie über die ersten Sekunden des Universums, der sogenannten Inflationären Phase. "Das war wirklich ein Bruchteil einer Sekunde nach dem Urknall. In diesem Rahmen hat sich das Universum von sagen wir 10-30 Zentimeter auf die heutige Größe oder noch größer aufgebläht."
Nichts ist schneller als das Licht
Und trotz dieser Ausdehnung des Raums, der auch die erwähnte Galaxie scheinbar mit Überlichtgeschwindigkeit fortbewegt, haben alle die Recht, die nach wie vor behaupten, Lichtgeschwindigkeit ist das Schnellste, das es gibt - sagt auch Hendrik Hildebrandt.
Das ist aber kein Verstoß gegen dieses Gesetz der Relativitätstheorie, dass sich nichts schneller als mit Lichtgeschwindigkeit bewegen kann. Das heißt, diese Galaxie überholt uns nicht mit Lichtgeschwindigkeit, die fliegt nicht mit Lichtgeschwindigkeit an uns vorbei, sondern sie ist sehr weit von uns entfernt und befindet sich in einem anderen Koordinatensystem. Und wir definieren uns jetzt eine Größe, die wir Fluchtgeschwindigkeit nennen und kommen dann auf ein Ergebnis, das größer ist als die Lichtgeschwindigkeit.
Wenn wir die Perspektive umdrehen und unsere Milchstraße von dieser fernen Galaxie aus beobachten würden, dann hätte man den Eindruck, auch wir würden uns mit Lichtgeschwindigkeit wegbewegen. Aber hätten unsere Galaxie, unser Sonnensystem oder unsere Erde einen Tacho, er würde niemals auch nur ansatzweise Lichtgeschwindigkeit anzeigen. Das, was wir als Fluchtgeschwindigkeit registrieren, ist die Ausdehnung des Raums, nicht die Geschwindigkeit der Himmelskörper.
Gewinnerin: Die Schwerkraft
Das Problem dabei: Wir können uns diese Ausdehnung des Raums nicht vorstellen. Denn unser Teller bleibt da, wo er ist, und der Weg zur Arbeit hat immer die gleiche Länge. "Das ist eben das Verrückte und deshalb ist es auch so schwierig, sich das vorzustellen: In ihrem Zimmer hat die Gravitation gewonnen, das bedeutet, diese Ausdehnung findet in ihrem Zimmer nicht statt, auch nicht in unserem Sonnensystem oder in unserer Milchstraße oder in der sogenannten lokalen Gruppe", sagt Astrophysiker Bruno Leibundgut.
Das heißt hier bei uns, wo die Gravitation das Sagen hat, wo sie größer ist als die rätselhafte Kraft der Dunklen Energie, die den Raum aufbläht oder auseinanderdrückt, hier funktioniert das Universum so, wie wir es täglich erleben und erfahren. Aber viel weiter draußen, dort wo Millionen Lichtjahre nur leerer Raum ist, dort regiert die dunkle Energie. Wir verstehen noch nicht warum, aber sie lässt den Raum expandieren, schneller als jede irdische Vorstellungskraft es zulässt. Und deshalb gibt es Himmelskörper, die sich schneller als mit Lichtgeschwindigkeit von uns wegbewegen und das widerspricht nicht mal dem, was wir im Physikunterricht gelernt haben.