Dass es eine universelle Grenzgeschwindigkeit geben muss, ergibt sich aus einem fundamentalen Grundprinzip der Physik, dem
Relativitätsprinzip: Die physikalischen Gesetze sind unabhängig vom Bewegungszustand bei gleichförmiger Bewegung. Die ursprüngliche mathematische Beschreibung dieses Prinzips (
Galilei-Transformation: Addition von Relativgeschwindigkeiten) führt in der
Elektrodynamik zu unauflöslichen Widersprüchen und muss durch die
Lorentz-Transformation ersetzt werden. Diese weicht bei hohen Geschwindigkeiten von der einfacheren Galilei-Transformation ab und erfordert, dass es eine Grenzgeschwindigkeit
c gibt, die niemals überschritten werden kann.
Albert Einstein erkannte, dass durch diese Grenzgeschwindigkeit Raum und Zeit untrennbar zur
Raumzeit verknüpft sind und dass dadurch
c die maximale Geschwindigkeit für kausale Zusammenhänge (Ursache-Wirkung-Beziehungen) ist. Kein Signal, keine Information kann schneller übertragen werden. Dies ist die Grundlage seiner
speziellen Relativitätstheorie.
Das Relativitätsprinzip erzwingt, dass die
maxwellschen Gleichungen der Elektrodynamik genau dieses
c als Parameter enthalten, und als Konsequenz pflanzen sich
elektromagnetische Wellen mit genau dieser Geschwindigkeit fort. Ihre Geschwindigkeit hängt dabei nicht von der Geschwindigkeit der Lichtquelle ab, und unabhängig vom Bewegungszustand des zu ihrer Messung verwendeten Empfängers wird stets derselbe Wert der Lichtgeschwindigkeit gemessen. Massebehaftete Teilchen können sich nur mit geringerer Geschwindigkeit
v < c bewegen; für masselose Teilchen hingegen ist
c die einzig mögliche Geschwindigkeit.
Aus der Relativitätstheorie ergibt sich weiterhin, dass Energie und Masse über die Beziehung
E0 = mc2 verknüpft sind. Wenn es keine Grenzgeschwindigkeit gäbe
(„c = ∞“), könnte es demnach keine Masse geben, weil hierfür unendlich viel Energie vonnöten wäre.
In Einsteins
Allgemeiner Relativitätstheorie spielt
c ebenfalls eine zentrale Rolle. Die Wirkung der Gravitation breitet sich mit dieser Geschwindigkeit aus.
Die Bezeichnung „Lichtgeschwindigkeit“ ist insofern unglücklich gewählt, als sie von der fundamentalen Bedeutung dieser Naturkonstante für Raum, Zeit und Kausalität ablenkt. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichts ist letztlich nur eine der Konsequenzen daraus. Überdies wird als „Lichtgeschwindigkeit“ auch die Geschwindigkeit des Lichts in materiellen Medien bezeichnet, die geringer ist. Zur Vermeidung von Missverständnissen bezeichnet man die Naturkonstante daher auch als „Vakuumlichtgeschwindigkeit“, mit dem Symbol
c0.
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