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Direkte Messung der Lichtgeschwindigkeit mit Röntgenquellen

Die direkteste Möglichkeit eine Geschwindigkeit zu messen, geht einfach über die Definition Weg pro Zeit. Da aber die Lichtgeschwindigkeit sehr groß ist, braucht es sehr genaue Methoden der Zeitmessung um die Lichtgeschwindigkeit zu ermitteln. Möglich ist das mit modernen Zeit-zu-Amplitude-Konvertern (TAC), wie sie in der modernen Messtechnik verwendet werden. Diese Geräte messen die Zeit zwischen einem elektrischen Startimpuls und einem Stoppimpuls, indem ein Kontensator kontrolliert aufgeladen wird. Damit sind Zeitmessungen mit Genauigkeiten im Picosekunden-Bereich möglich.

Zwei recht ähnliche Versuche, in denen die Lichtgeschwindigkeit direkt gemessen wurde, wurden 1980 und 1995 durchgeführt. Die Veröffentlichungen gebe ich unten auf dieser Seite an. In beiden Versuchen wurden zwei Gamma-Blitze gemessen, die zwischen zwei Detektoren gleichzeitig erzeugt wurden. Solche Gamma-Blitze entstehen durch Positronen-Elektronen-Vernichtung in Plastik. Die Positronen kamen dabei aus einer radiaktiven Quelle mit dem Isotop 22Na. Dieses Isotop zerfällt durch Beta-Plus-Zerfall in ein Positron und ein Neon-Isotop. Kurz darauf entstehen bei der Positron-Vernichtung im Plastik zwei Gamma-Blitze, die gleichzeitig in entgegengesetze Richtungen fliegen.

Bei dem Versuch von 1995 wurde nun einer der beiden Detektoren 30 cm vom Detektor entfernt aufgestellt. Dieser Detektor gab den Startimpuls an den Zeit-zu-Amplitude-Konverter. Der zweite Detektor, der den Stoppimpuls geben sollte, wurde in die andere Richtung 110 Zentimeter entfernt aufgestellt. Das Licht braucht etwa 1001 Picosekunden um die Strecke von 30 Zentimeter zurückzulegen, 1001 Picosekunden nach der Absendung des Lichtblitzes wurde also der Zeit-zu-Amplitude-Konverter gestartet. Nach der Laufzeit des Lichts für 110 Zentimeter, das sind 3668 Picosekunden, wurde der Konverter durch Ansprechen des zweiten Detektors gestoppt. Da die Experimentatoren diese Zeitdifferenz von knapp 2700 Picosekunden auf besser als eine Picosekunde messen konnten, ergab schon eine einzige Messung die Lichtgeschwindigkeit auf einen Tausendstel genau.

Natürlich haben die Experimentatoren das Experiment oft wiederholt. Dabei wurden die Abstände variiert, indem die Quelle mit einer Mikrometerschraube schrittweise um 5 cm in Richtung des zweiten Detektors verschoben wurde. Eine genaue Analyse der Daten mit Fehlerabschätzung ergab dann einen Wert für die Lichtgeschwindigkeit von 299.780.000 m/s mit einer Standardabweichung (Messfehler) von 20.000 m/s. Das ist eine Genauigkeit von 0.007%.

Abschließend sollte man erwähnen, dass solch eine große Genauigkeit nur möglich ist, wenn entsprechende Anstrengungen unternommen werden. Die Datenleitungen von der Detektoren zum Zeit-zu-Amplitude-Konverter und die Detektoren selbst müssen identisch aufgebaut sein und gleiche Anprechzeiten haben. Das kann man überprüfen, indem man die Komponenten zwischen den beiden Richtungen austauscht. Dazu muss gewährleistet sein, dass alle verwendeten Netzgeräte stabile Spannungen erzeugen und keine Temperaturschankungen während der Messung auftreten. Die Experimentatoren haben alle Fehlerquellen genau untersucht und so die Messgenauigkeit von besser als eine Picosekunde erreicht.

In dem älteren Experiment von 1980 wurden der erste Detektor in 20 cm Abstand von der Quelle gestellt und der Abstand zum zweiten wurde von 150 cm bis 350 cm in 50 cm Schritten variiert. Die Zeitauflösung betrug damals nur 650 Picosekunden und die Gesamte Messungenauigkeit belief sich auf 0,37%.

Quellen:

  1. American Journal of Physics Ausgabe 48, Seite 578 (1980)
  2. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A, Ausgabe 355, Seite 537 (1995)

Letzte Änderung: 24.02.2007

© Joachim Schulz