Die Masse des Lichts

Die Masse des Lichts

Zur Frage „Wie schwer ist das Licht?“ fand ich im Netz einen sehr guten, verständlichen und ineressanten Artikel der Physikerin Dr. Saskia Grunau.

Vielleicht soviel vorweg: Das Licht besteht aus Photonen. Es sind die Übertragerteilchen der elektromagnetischen Kraft. Im Standardmodell der Teilchenphysik wird es als Eichboson geführt. Das Standardmodell beschreibt mit Quantenfeldtheorien die bekannten Wechselwirkungen der Materie. Seit der Bestätigung der vorausgesagten Existenz der Higgsteilchen am LHC konnte eine weitere Quantenfeldtheorie in das Standardmodell aufgenommen werden. Das Higgsfeld. Im Standardmodell müssen alle Teilchen masselos sein. Sonst stimmt die Mathematik des Standardmodells nicht. Die Mehrzahl der Teilchen, so denkt man sich das, bezieht seine ohne Zweifel spürbare Masse durch die Wechselwirkung mit dem Higgsfeld (sehr vereinfacht gesagt). Man kann sich das vielleicht so vorstellen, dass sich die Teilchen durch das Higgsfeld bewegen und durch Reibung ein Widerstand erzeugt wird, der sich als träge Masse der Teilchen offenbart.
Die träge Masse ist ja die Masse der Materie, die sich einer Beschleunigung entgegen stellt. Im Gegensatz zur schweren Masse, die für die gravitative Anziehung sorgt und auch das Licht ablenkt. Die beiden Massen sind zahlenmäßig gleich groß. Das Lichtteilchen macht da aber eine Ausnahme. Es besitzt keine Ruhemasse. Was man trotzdem zur Masse des Lichts sagen kann, lesen Sie im folgenden Artikel.

Zitat Anfang
Wie schwer ist Licht?

Wie schwer ist Licht?,
fragte Eric Köplin aus Oldenburg,  Saskia Grunau antwortete

Zu Beantwortung muss zunächst der Unterschied zwischen Masse und Gewicht erklärt werden: Wenn ich hier auf der Erde auf eine Waage steige, dann wird mein Gewicht gemessen, also mit welcher Kraft die Erde mich anzieht. Die Waage zeigt aber meine Masse (in kg) an. Der Unterschied ist leicht zu erklären: Wenn ich auf dem Mond stehe, fühle ich mich erheblich leichter als auf der Erde, aber meine Masse ist trotzdem dieselbe geblieben, da ich ja nicht abgenommen habe.  

Eindeutiger ist daher die Frage: „Welche Masse hat das Licht?“ Darauf gibt es mehrere Antworten.  
Die erste Antwort lautet: Gar keine! Zumindest hat Licht keine Ruhemasse. Das ist die Masse eines unbewegten Objektes. Und Photonen, also „Lichtteilchen“, gibt es auch gar nicht in Ruhe. Sie bewegen sich immer, und zwar mit Lichtgeschwindigkeit. Daher ist es auch ganz gut, dass Photonen keine Masse haben, denn Einstein lehrte uns mit der Relativitätstheorie, dass keine Objekt mit endlicher Ruhemasse auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigt werden kann. Das liegt daran, dass es neben der Ruhemasse in der Relativitätstheorie auch noch die bewegte Masse gibt, die sogar zunimmt, je schneller etwas unterwegs ist, also je mehr Bewegungsenergie etwas hat. 
Im Grunde genommen ist damit die bewegte Masse nur eine andere Maßeinheit für Energie. Die zweite Antwort lautet also: da Photonen ja mit Lichtgeschwindigkeit extrem schnell sind, haben sie also doch etwas bewegte Masse, die allerdings sehr klein ist: Etwa 300 Millionen Photonen (je nach Farbe des Lichts) haben zusammen gerade mal die gleiche Masse wie ein einziges Proton oder Neutron, den elementaren Bestandteilen der Atomkerne. Die Gesamtmasse des Lichts, das pro Tag die Erde erreicht ist damit aber immerhin 168 Tonnen. Die Masse des Lichts sorgt übrigens auch dafür, dass Photonen von der Schwerkraft beeinflusst werden. 
Der Gravitation ist es nämlich egal, ob sie Masse oder Energie vor sich hat. Lichtstrahlen können daher von der Schwerkraft „gebogen“ werden: Wenn man bei einer Sonnenfinsternis einen Stern beobachtet, der gerade ganz dicht neben der nun dunklen Sonne zu sehen ist, sieht man ihn an einer leicht anderen Position als normalerweise. Damit ist die Frage beantwortet: Licht hat keine Ruhemasse, aber dafür bewegte Masse und damit wirkt auf der Erde eine entsprechende Schwerkraft auf Licht. 

Saskia Grunau studiert seit 2007 Physik an der Universität Oldenburg. Im Oktober 2010 schloss sie ihre Bachelorarbeit in der Arbeitsgruppe Feldtheorie, geleitet von Prof. Jutta Kunz-Drolshagen zum Thema „The motion of charged particles in the Reissner-Nordström-spacetime“ ab.
Zitat Ende

Saskia Grunau hat inzwischen erfolgreich promoviert. In der kurzen freundlichen  Konversation, die ich mit Frau Dr. Grunau wegen der Verwendung ihres Artikels auf meiner Homepage führte, war ihr noch folgende Anmerkung* wichtig:

„Bewegte Masse ist ein spannendes Thema, über dass man sich sehr viele, auch philosophische, Gedanken machen kann. Erst vor kurzem habe ich mich noch ein zweites Mal mit dem Thema beschäftigt. Daher möchte ich noch einmal deutlich machen, dass die bewegte Masse nur eine effektive Masse ist, eine andere Maßeinheit für die Energie. Eigentlich kommt durch die Bewegung ein Impuls zustande, der z.B beim Zusammenstoß von Licht mit anderen Teilchen Auswirkungen hat, die man einer Masse zuordnen könnte.“

Für mich war dieser Artikel sehr aufschlussreich. Mein Dank geht an Frau Dr. Grunau für die freundliche Genehmigung zu seiner Verwendung auf meiner Homepage.

Meinung:

Die allgemeine Relativitätstheorie (kurz ART)  deutet Gravitation als geometrische Eigenschaft der gekrümmten vierdimensionalen Raumzeit. Ist die Gravitation somit noch eine Kraft zwischen Massen mit unbegrenzter Reichweite?

Die Gravitation wird auch als eine der vier Grundkräfte der Physik beschrieben. Sie äußert sich in der gegenseitigen Anziehung von Massen. Auch Photonen werden von der Schwerkraft beeinflusst, wie im Artikel nachzulesen ist. Weiterhin heißt es im Artikel, dass es der Schwerkraft egal sei, ob sie Masse oder Energie vor sich habe. Lichtstrahlen könnten daher von der Schwerkraft gebogen werden. Wer es möchte, sollte an dieser Stelle  noch einmal genauer über die Bedeutung der obige Anmerkung* nachdenken, als ich es im Nachfolgenden tue.

Und was ist mit dem freien Fall? Ob Stahlkugel oder Feder, beides fällt im Vakuum gleichmäßig beschleunigt und gleich schnell, unabhängig von der eigenen Masse,  einer großen Masse/Schwerkraft entgegen. Fallbeschleunigung. Wirkt dieses Gesetz auch auf das Photon? Die Schlussfolgerungen wären gravierend. Wäre die Lichtgeschwindigkeit noch als konstant anzusehen?

„Albert Einstein nahm für seine Allgemeine Relativitätstheorie an, das natürliche Bezugssystem sei jenes, in dem der frei fallende Körper ruht. Danach ist der freie Fall völlig kräftefrei, der Körper also „schwerelos“, und die Gravitationskraft eine Scheinkraft. Aus dem einsteinschen starken Äquivalenzprinzip folgt, dass auch Licht „fällt“ – es breitet sich im fallenden Bezugssystem geradlinig aus, was experimentell bestätigt ist.“ sagt Wikipedia unter dem Stichwort „Freier Fall“ dazu.

Ich verstehe nicht wirklich, ob Gravitation nun eine der vier Grundkräfte ist, oder doch nur eine Scheinkraft.

Photonen werden im Schwerefeld genauso beeinflusst  wie massive Teilchen, was schon Albert Einstein 1919 feststellte. 1960 führte Robert Pound  zusammen mit seinem Assistenten Glen Rebka dazu ein Experiment durch: Das  Pound-Rebka-Experiment. Pound und Rebka fanden heraus, dass Photonen auf ihrem Weg durch das Gravitationsfeld eine Energieänderung erfahren. Die Energieänderung zeigt sich in einer Frequenzänderung. Will ein Photon eine Gravitationsquelle verlassen, verliert es Energie und die Frequenz verschiebt sich in Richtung des roten Bereichs. Umgekehrt (freier Fall) gewinnt es Energie und die Frequenz verschiebt sich in Richtung des blauen Bereiches.

Auf einer Strecke von 22,56 m wurde in diesem Experiment ausschließlich die Frequenzänderung von Photonen bestimmt, die sich auf eine Masse (die Erde) zubewegen bzw. sich von ihr entfernen. Ob das Experiment den Schluss zulässt, das Photonen im Schwerefeld ausschließlich ihre Energie/Frequenz ändern und nicht noch andere Zustandsgrößen vermag ich nicht einzuschätzen.

Deshalb verfolge ich meinen Gedanken weiter, dass die Lichtgeschwindigkeit in der Nähe großer Massen eventuell doch nicht ganz konstant ist, was Auswirkungen auf die postulierte Relativität von Raum und Zeit hätte.

Nur, dass der Leser mich richtig versteht: Ich zweifele nicht wirklich die konstante Lichtgeschwindigkeit im Vakuum mit 299 792 458 m/s  an. Aber wenn diese Konstante bedingt, dass sich Raum und Zeit verändern müssen um einige Beobachtungen zu erklären, frage ich mich ob wir diese Beobachtungen richtig deuten.

Raum ist für mich nichts physikalisch Vorhandenes.  Ich verstehe nicht, wie man ihn verbiegen könnte. Auch die vom Menschen sehr präzise definierte physikalische Größe „Zeit“ als Maßstab für die Messung der Dauer eines Ereignisses kann sich nicht von alleine verändern. „Eine Sekunde ist das 9 192 631 770-fache der Periodendauer der dem Übergang zwischen den beiden Hyperfeinstruktur­niveaus des Grundzustandes von Atomen des Nuklids ¹³³Cs entsprechenden Strahlung.“**   Es sei denn, der Mensch verändert diesen Maßstab. Wenn man keinen eindeutigen Maßstab mehr hat, wie könnte man dann überhaupt noch einen exakten Vergleich der Dauer zweier Ereignisse vornehmen?  Den Begriff „Zeit“ sollte man sprachlich genau definieren, bevor man darüber diskutiert. Die Zeit von 1 s  ist nach meinem Dafürhalten überall und immer 1 s. Was sich ändern kann, ist die Dauer von Abläufen und Ereignissen. Da werden sehr oft Äpfel mit Birnen verglichen.

Ein interessantes Thema für weitere Betrachtungen.

** aus Wikipedia Stichwort „Sekunde“ Stand 23.01.2016