Die Lichtgeschwindigkeit ist die Grenze, mit der sich ein materielles Objekt im Raum bewegen kann, es sei denn, wir berücksichtigen natürlich hypothetische Wurmlöcher, mit deren Hilfe sich Objekte nach Annahmen noch schneller im Raum bewegen können. In einem idealen Vakuum kann sich ein Lichtteilchen, ein Photon, mit einer Geschwindigkeit von 299.792 Kilometern pro Sekunde oder etwa 1,079 Milliarden Kilometern pro Stunde bewegen. Auf den ersten Blick mag es überraschend schnell erscheinen. Nein, es ist eigentlich schnell. Im kosmischen Maßstab kann diese Geschwindigkeit jedoch unerträglich langsam sein, insbesondere wenn es um Funkkommunikation und Flüge zu anderen Planeten geht, insbesondere zu solchen außerhalb unseres Sonnensystems.
Der Planetenwissenschaftler des Goddard Space Flight Center der NASA, James O'Donoghue, hat eine Reihe von animierten Videos erstellt, damit jeder die begrenzten Möglichkeiten der Lichtgeschwindigkeit besser verstehen kann.
In einem Gespräch mit Business Insider sagte O'Donoghue, er habe erst kürzlich gelernt, wie man diese Animationen macht. Seine erste Aufgabe für die NASA war die Vorbereitung eines Videos über die Ringe des Saturn. Danach begann er andere schwer verständliche Weltraumkonzepte zu animieren, zum Beispiel einen visuellen Vergleich der Größen und Rotationsgeschwindigkeiten der Planeten des Sonnensystems. Ihm zufolge stieß diese Arbeit, die auf seiner persönlichen Twitter-Seite veröffentlicht wurde, auf großes Interesse.
Seine neueste Arbeit ist ein Versuch, klar zu demonstrieren, wie schnell und gleichzeitig langsam Photonen sein können.
Visuelle Demonstration der Bewegung von Photonen um die Erde
In der ersten Animation zeigte O'Donoghue, wie schnell sich Licht relativ zur Erde bewegen kann.
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Der Äquator unseres Planeten ist ungefähr 40.000 Kilometer lang. Wenn es keine Atmosphäre hätte (die darin enthaltenen Partikel können das Licht etwas verlangsamen), würde ein Photon, das entlang seiner Oberfläche gleitet, in 1 Sekunde (oder 0,13 Sekunden pro Umdrehung) fast 7,5 volle Umdrehungen machen.
Während die Lichtgeschwindigkeit in diesem Szenario unglaublich hoch zu sein scheint, zeigt das Video auch, dass es endlich ist.
Wie schnell sich Licht zwischen Erde und Mond bewegt
Im zweiten Video legt O'Donoghue eine größere Entfernung zurück - von der Erde zum Mond.
Im Durchschnitt beträgt die Entfernung zwischen unserem Planeten und seinem natürlichen Satelliten 384.000 Kilometer. Dies bedeutet, dass das am Himmel gesehene Mondlicht diese Strecke in 1,255 Sekunden zurücklegt und die Hin- und Herfahrt, beispielsweise beim Senden von Funknachrichten zwischen der Erde und dem Raumschiff, 2,51 Sekunden dauert.
Es sollte beachtet werden, dass diese Zeit von Tag zu Tag zunimmt, da sich der Mond jedes Jahr um etwa 3,8 Zentimeter von der Erde entfernt (der Mond verbraucht ständig die Energie der Erdrotation durch Wechselwirkung zwischen Gravitation und Gezeiten. Die Folgen dieses Effekts sind eine Änderung der Umlaufbahn des Satelliten).
Wie schnell Licht die Entfernung zwischen Erde und Mars zurücklegt
Im dritten Video zeigte O'Donoghue ein Problem, mit dem viele Planetenwissenschaftler täglich konfrontiert sind.
Wenn Mitarbeiter der NASA-Luft- und Raumfahrtbehörde versuchen, Daten von einem Raumschiff herunterzuladen und zu empfangen, beispielsweise von derselben InSight-Sonde, die derzeit auf dem Mars betrieben wird, werden Nachrichten mit Lichtgeschwindigkeit übertragen. Es reicht jedoch nicht aus, das Gerät in "Echtzeit" zu steuern. Daher müssen die Teams sorgfältig durchdacht, so komprimiert wie möglich und auf die genaue Zeit und den genauen Ort ausgerichtet sein, um das Ziel nicht zu verfehlen.
Die schnellste Übertragung von Nachrichten zwischen Erde und Mars ist in dem Moment möglich, in dem sich die Planeten am nächsten nähern. Dies geschieht jedoch nur etwa alle zwei Jahre. Darüber hinaus sind wir auch in diesem Fall etwa 54,6 Millionen Kilometer voneinander entfernt. O'Donoghues Video zeigt, dass Licht in dieser Entfernung 3 Minuten und 2 Sekunden benötigt, um von einem Planeten zum anderen zu gelangen, oder 6 Minuten in beide Richtungen.
Im Durchschnitt sind Erde und Mars durch eine Entfernung von 254 Millionen Kilometern voneinander getrennt, sodass die bidirektionale Nachrichtenübertragung im Durchschnitt etwa 28 Minuten und 12 Sekunden dauert.
Je weiter der Abstand entfernt ist, desto geringer wird die "Effizienz" der Lichtgeschwindigkeit
Die Geschwindigkeitsbegrenzung des Lichts schafft noch mehr Probleme für Raumfahrzeuge, die weiter von der Erde entfernt sind. Zum Beispiel dieselbe New Horizons-Sonde, die jetzt 6,64 Milliarden Kilometer von uns entfernt ist, oder Voyager 1 und Voyager 2, die den Rand des Sonnensystems erreicht haben.
Illustration der bahnbrechenden Starshot-Weltraum-Nanosonde, die durch einen sehr starken Laserstrahl beschleunigt und auf das Alpha-Centauri-Sternensystem gerichtet wird.
Die Situation wird ziemlich traurig, wenn es darum geht, eine Nachricht an ein anderes Sternensystem zu senden. Zum Beispiel ist der nächste uns bekannte Exoplanet, Proxima b, ungefähr 4,2 Lichtjahre entfernt (ungefähr 39,7 Billionen Kilometer). Selbst wenn wir derzeit das schnellste Raumschiff nehmen, die Parker Solar Probe, die Geschwindigkeiten von 343.000 Stundenkilometern erreichen kann, würde es ungefähr 13.211 Jahre dauern, bis Proxima b erreicht ist.
Nikolay Khizhnyak