Ist Licht im Wasser tatsächlich langsamer?

Taucht das Licht im Wasser ab? Die Wahrheit über die Lichtgeschwindigkeit in Medien

Die Aussage “Licht ist im Wasser langsamer” ist korrekt, aber die dahinterliegende Physik ist faszinierender als ein simples “ja” oder “nein”. Es geht nicht nur um eine bloße Reduzierung der Geschwindigkeit, sondern um ein komplexes Wechselspiel von Wellen und Materie, welches grundlegende optische Phänomene erklärt.

Im Vakuum rast Licht mit seiner bekannten Höchstgeschwindigkeit von c ≈ 299.792.458 m/s. Doch sobald Licht in ein dichteres Medium wie Wasser oder Glas eintritt, verringert sich seine Phasengeschwindigkeit. Diese Reduktion ist kein bloßer Widerstand, sondern resultiert aus der Wechselwirkung der Lichtwellen mit den Atomen des Mediums.

Licht, elektromagnetische Strahlung, regt die Elektronen in den Atomen des Wassers an. Diese angeregten Elektronen emittieren wiederum Lichtwellen, die mit der ursprünglichen Welle interferieren. Diese Interferenz führt zu einer resultierenden Welle, deren Phasengeschwindigkeit niedriger ist als die ursprüngliche Geschwindigkeit im Vakuum. Die Frequenz des Lichts bleibt dabei unverändert. Da die Geschwindigkeit (v) und die Frequenz (f) über die Wellenlänge (λ) verknüpft sind (v = fλ), muss folglich die Wellenlänge im Wasser kürzer sein als im Vakuum.

Diese Änderung der Wellenlänge und Geschwindigkeit ist der Grund für die Brechung des Lichts. Wenn Licht schräg von Luft in Wasser übergeht, wird ein Teil der Welle früher im Wasser ankommen als der andere, was zu einem Knick in der Ausbreitungsrichtung führt. Dieser Effekt ist essentiell für Linsen, Prismen und andere optische Geräte. Ohne die Geschwindigkeitsreduktion im Medium gäbe es keine Brechung und somit keine optischen Instrumente wie wir sie kennen.

Es ist wichtig zu betonen, dass die Gruppengeschwindigkeit des Lichts, also die Geschwindigkeit, mit der sich die gesamte Lichtinformation ausbreitet, ebenfalls beeinflusst werden kann, jedoch nicht immer direkt proportional zur Phasengeschwindigkeit. Diese Unterscheidung ist relevant in komplexeren Szenarien, beispielsweise bei der Pulsfortpflanzung in dispersiven Medien.

Zusammenfassend lässt sich sagen: Licht ist im Wasser tatsächlich langsamer als im Vakuum. Dieser scheinbar einfache Sachverhalt basiert jedoch auf einem fundamentalen physikalischen Prozess der Wechselwirkung von Licht mit Materie, der die Brechung des Lichts und zahlreiche technologische Anwendungen ermöglicht. Die Reduzierung der Geschwindigkeit resultiert nicht aus Reibung, sondern aus der Interferenz der ursprünglichen Lichtwelle mit den von den angeregten Atomen des Mediums emittierten Wellen. Die konstante Frequenz und die sich verändernde Wellenlänge sind die Schlüssel zum Verständnis dieses Phänomens.