Phasengeschwindigkeit

Die Phasengeschwindigkeit ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit gleicher Phasen einer monochromatischen Welle.^[1]

In dispersiven Medien breiten sich Wellen unterschiedlicher Frequenz mit unterschiedlichen Phasengeschwindigkeiten aus. Bei der Ausbreitung von Wellenpaketen (also der Summe mehrerer überlagerter monochromatischer Wellen) in dispersiven Medien sind folglich auch die Phasendifferenzen zwischen einzelnen Komponenten nicht konstant, sondern zeitabhängig: Die Form des Wellenpaktes ändert sich (es „zerfließt“).

In der oberen Abbildung bewegt sich der rote Punkt mit der Phasengeschwindigkeit. Die zweite Abbildung zeigt ein Wellenpaket, dessen Gruppengeschwindigkeit gleich der Phasengeschwindigkeiten der einzelnen Komponenten ist. In der dritten Abbildung sind die Phasengeschwindigkeiten der einzelnen Komponenten unterschiedlich.

Die Phasengeschwindigkeit ${\displaystyle v_{\mathrm {p} }}$ berechnet sich aus der Wellenlänge ${\displaystyle \lambda \,}$ (die Strecke, die zurückgelegt wird) und der Periodendauer ${\displaystyle T\,}$ (die Zeit, die dafür benötigt wird) zu

${\displaystyle v_{\mathrm {p} }={\frac {\lambda }{T}}.}$

Aufgrund der Definitionen von Frequenz ${\displaystyle f\,}$, Kreisfrequenz ${\displaystyle \omega \,}$ und Kreiswellenzahl ${\displaystyle k\,}$ ergibt sich die äquivalente Darstellung

${\displaystyle v_{\mathrm {p} }=\lambda \cdot f={\frac {\omega }{k}}.}$

Die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum ist die Obergrenze für die Übertragungsgeschwindigkeit von Energie und Information. Jedoch gibt es zahlreiche Fälle, in denen Phasengeschwindigkeiten oberhalb der Lichtgeschwindigkeit auftreten. Beispiele sind Materiewellen und Wellen in Hohlleitern. Auch in bestimmten Medien kann die Phasengeschwindigkeit bei Lichtpulsen durchaus größer sein als die Lichtgeschwindigkeit.^[2]

1. ↑ Paul A. Tipler, Gene Mosca: Physik. Für Wissenschaftler und Ingenieure. Hrsg.: Dietrich Pelte. 2. Auflage. Spektrum akademischer Verlag, 2007, ISBN 978-3-8274-1164-8. 
2. ↑ Schneller als Licht? In: spectrum.de. 24. Mai 2000, abgerufen am 5. Juni 2024.