Im Sommer 1849 stellte der französische Physiker Hippolyte Fizeau ein Teleskop auf dem Balkon seines Vaterhauses in Suresnes, einem Vorort von Paris. Sein Blick richtet sich in die Ferne, genau 8.633 Meter weit, zum Mont Valérien. Dort hat er einen Spiegel aufstellen lassen. Zwischen dem Teleskop und der Lichtquelle in seinem Zimmer montiert Fizeau ein präzises Zahnrad, das über ein Uhrwerk angetrieben wird. Er will eine der grundlegendsten Fragen der Naturwissenschaft klären: Wie schnell bewegt sich das Licht auf der Erde?
Schon zweihundert Jahre zuvor versuchte Galileo Galilei, die Lichtgeschwindigkeit zu messen. Er postierte zwei Männer mit Laternen auf benachbarten Hügeln. Doch das Licht eilte der menschlichen Reaktionszeit stets davon; für Galilei schien es augenblicklich von einem Ort zum anderen zu springen. Fizeau ersetzt nun den zweiten Beobachter durch einen starren Spiegel. Die ungenaue menschliche Hand ersetzt er durch die mechanische Taktung seines rotierenden Rades.
Das Licht im Takt der Mechanik
Als alle Vorbereitungen abgeschlossen sind, beginnt Fizeau sein Experiment. Er entzündet seine Lichtquelle. Der Strahl trifft auf einen halbdurchlässigen Spiegel, schlüpft durch eine Lücke des Zahnrads und rast zum fernen Mont Valérien. Dort wirft der Spiegel das Licht zurück. Solange das Zahnrad stillsteht oder sich nur langsam dreht, blickt Fizeau durch das Okular und sieht den zurückkehrenden Lichtpunkt genau durch dieselbe Lücke.
Doch nun erhöht der Physiker die Drehzahl schrittweise. Bei 12,6 Umdrehungen pro Sekunde geschieht das Entscheidende: Die Zeit für den Hin- und Rückweg entspricht nun genau der Zeit, die das Rad für eine halbe Zahnbreite benötigt. Das Lichtsignal, das durch eine Lücke hinauslief, trifft bei seiner Rückkehr auf einen Zahn. In der Zwischenzeit hat sich das Rad exakt so weit gedreht, dass nun die Flanke des unmittelbar folgenden Zahns den Rückweg versperrt. Das Licht trifft auf festes Material und wird blockiert – das Bild im Teleskop wird plötzlich dunkel.
In diesem Moment der ersten Finsternis hält Fizeau die Zeit fest. Er weiß, dass das Licht in der winzigen Spanne, in der ein Zahn den Platz der Lücke einnahm, den Weg von insgesamt 17,2 Kilometern zurückgelegt hat. Das Zahnrad mit seinen 720 Zähnen dient ihm dabei als mechanische Stoppuhr für eine Geschwindigkeit, die bisher als unmessbar galt.
Ein Ergebnis mit Folgen
Fizeau errechnet aus seinen Beobachtungen einen Wert von 315.300 Kilometern pro Sekunde. Damit liegt er zwar etwa 5 % über dem heute bekannten Wert von rund 299.792 Kilometern pro Sekunde, doch sein Erfolg wiegt schwer. Er beweist, dass Forscher die Lichtgeschwindigkeit in einem irdischen Versuchsaufbau bestimmen können. Bisher mussten sie dafür mühsam die Jupitermonde beobachten oder die Aberration der Sterne berechnen – jene scheinbare Positionsverschiebung, die durch die Eigenbewegung der Erde entsteht.
Die Abweichung in seinem Experiment entsteht hauptsächlich durch Ungenauigkeiten bei der Drehzahlmessung. Auch die rein visuelle Schätzung, wann genau die maximale Verdunkelung eintritt, bleibt fehleranfällig. Dennoch markiert dieser Aufbau in Suresnes den Moment, in dem die Lichtmessung die Astronomie verlässt und in der modernen Experimentalphysik ankommt.
Von der Mechanik zur Moderne
Nur ein Jahr nach Fizeaus Durchbruch verfeinert Léon Foucault das Prinzip. Er ersetzt das Zahnrad durch einen rotierenden Spiegel. Mit dieser Methode misst Foucault die Lichtgeschwindigkeit später sogar innerhalb geschlossener Räume und beweist, dass sich Licht in Wasser langsamer ausbreitet als in der Luft. Fizeaus Zahnradmethode gilt heute als der Pionierschritt, der die enorme Geschwindigkeit des Lichts erstmals mit einer greifbaren Apparatur auf der Erdoberfläche einfing.
Fizeaus Zahnradmethode
Finsternis bei 12.6, 37.8 U/s… Sichtbarkeit bei 25.2 U/s (basierend auf 720 Zähnen).
Zum Weiterlesen
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Serge Haroche (2022): Licht: Eine Geschichte.*
Bildnachweis
Alle Bilder gemeinfrei.
