Lichtgeschwindigkeit

An das Workshop erinnere ich mich noch (lang ist’s her): Eine Gruppe von Physiklehrern versucht, mit Lötkolben und Seitenschneider ausgestattet, unter der Anleitung ihres Kollegen U. Ihlefeldt die Elektronik für eine Apparatur zusammenzubauen, mit der man die Lichtgeschwindigkeit im Labor messen kann. Ich bin dabei – und am Ende der Veranstaltung glücklich, zwei funktionierende Schaltungen mit nach Hause nehmen zu können.
Die Elektronik bestand aus einem Lichtsender und einem Lichtempfänger, mit denen man unter Zuhilfenahme eines schnellen Oszilloskops die Zeit messen konnte, die das Licht zum Zurücklegen einer gegebenen Strecke benötigt. Zur Messanordnung gehörten außerdem ein (halbdurchlässiger) Spiegel, ein Reflektor und eine Linse. Trotz des geringen Aufwandes, den die Apparatur erforderte, lieferte sie recht gute Werte. Bei genauerer Messung stellte ich allerdings fest, dass sie systematisch einen Tick größer waren als die bekannten 300000 km/s.
Vor kurzem fiel mir die Apparatur wieder in die Hände – Grund genug, sie nochmals aufzubauen und auch nochmals zu messen. Das Foto zeigt den aktuellen Messaufbau mit Lichtsender, halbdurchlässigem Spiegel, Empfänger und einem Epidiaskop-Objektiv als Linse. Das Licht wird nach Durchlaufen einer gewissen Strecke zurückgeworfen (der Reflektor ist nicht zu sehen) und durch den halbdurchlässigen Spiegel in den Empfänger umgelenkt. Das Oszilloskop misst die Phasenverschiebung zwischen ausgesandtem und vom Empfänger registriertem Lichtimpuls. Durch den Einsatz des Epidiaskop-Objektivs konnte ich das Licht besser bündeln als in der ursprünglichen Anordnung. Infolgedessen wurde mehr Licht in den Empfänger zurückgelenkt, so dass sich die Zeitspanne zwischen Aussendung und Rückkehr des Lichtimpulses sehr genau messen ließ.

Offenbar führt der Intensitätsgewinn auch zu Messwerten, die dem Literaturwert der Lichtgeschwindigkeit näherkommen – also nicht mehr systematisch nach oben abweichen. Das Diagramm zeigt das Ergebnis einer Messung mit der verbesserten Apparatur. Aufgetragen ist die „Reisezeit” Δt des Lichts in Abhängigkeit von der Laufstrecke 2ΔL, wobei die eingezeichnete Ausgleichsgerade einer Lichtgeschwindigkeit von (3,03 ± 0,15) ×108 m/s entspricht. Die Fehlergrenzen ± 0,15 ×108 m/s ergeben sich aus der Streuung der Messpunkte um die Gerade. Eine größere Genauigkeit als die angegebenen ± 5% lässt sich mit der Anordnung wohl kaum erreichen. Etwas mehr zu diesem Experiment hier.