Der Äther und die Physik vor Einstein
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Lerntext zum Thema Der Äther und die Physik vor Einstein
Zur Geschichte der Relativitätstheorie
Anfang des 20. Jahrhunderts gab es einen einschneidenden Umbruch in der Physik: die Einführung der speziellen Relativitätstheorie. Sie wird in der Geschichtsschreibung der Physik vor allem auf Albert Einstein zurückgeführt. An ihrer Entwicklung bis hin zu ihrer zeitgenössischen Form waren aber viele Personen beteiligt – unter anderem Einsteins Frau Mileva Marić, Hendrik Antoon Lorentz, Henri Poincaré, Albert Michelson, Edward Morley und Hermann Minkowski. All diese Personen beschäftigten sich mit den Phänomenen des Lichts und seiner Ausbreitung. Teilweise bauten ihre Arbeiten aufeinander auf. Teilweise verliefen sie parallel oder überkreuzten sich punktuell. So hat Albert Einstein wohl ohne Kenntnis der Arbeiten von Lorentz, Poincaré und angeblich ohne von den Experimenten Michelsons und Morleys beeinflusst gewesen zu sein, ein neues Relativitätsprinzip entwickelt. Ohne die Arbeiten seiner Mitstreiter hätte diese spezielle Relativitätstheorie jedoch nicht ihre heutige Gestalt angenommen. Aus der Sicht moderner Geschichtsschreibung würde man vielleicht von einem neuen Paradigma in der Physik sprechen, das Anfang des 20. Jahrhunderts im Denken vieler Wissenschaftler aufkeimte und in dem Albert Einstein das besondere Privileg hatte, dessen physikalische Quintessenz auf den Punkt gebracht zu haben.
Das Ätherproblem
Als Albert Einstein sich intensiv mit Physik zu befassen begann, gab es bereits hitzige Debatten darum, in welchem Medium und wie sich Licht ausbreitet. Noch James Maxwell, der einige der bedeutendsten Beiträge zur Elektrodynamik geliefert hatte, ging davon aus, dass Licht sich wie Schall oder Wasserwellen als eine Welle in einem Medium (etwa einem Gas, einer Flüssigkeit oder auch einem Festkörper) ausbreiten müsse. Diese Annahme war zur Zeit Einsteins jedoch eine umstrittene Frage geworden.
In der Physik vor dieser Zeit wurde angenommen, dass es ein Trägermedium für Licht geben müsse, den sogenannten Äther. Wie beim Wasser breitete sich das Licht demnach als eine Welle von nach aus. Jegliche Art von Materie, wie z. B. auch die Planeten, bewegten sich in diesem Äther wie vor einem ruhenden Hintergrund, ähnlich wie ein Schiff auf den Weiten des Meers.
Der Versuch von Michelson und Morley
Die Experimentalphysiker Michelson und Morley wollten den Äther untersuchen und seine Existenz bestätigen. Um die Bewegung der Erde relativ zum Lichtäther messen zu können, bauten sie ein Interferometer und führten im Sommer 1887 vielfache Experimente damit durch. Die Idee war einfach und gründete in einer Auffassung von Raum und Zeit, die man auch als galileische Relativitätstheorie bezeichnet. Diese Theorie besagt, dass die Gesetze der Physik in allen Bezugssystemen (z. B. und ) gleich lauten, die sich gleichförmig zueinander bewegen, wobei für die Transformation von nach insbesondere gilt:
Ein Objekt, das sich mit Geschwindigkeit in in gleicher Richtung wie bewegt, hat die Geschwindigkeit in , wobei die Relativgeschwindigkeit von ist. Die Geschwindigkeiten der beiden Systeme sind relativ zueinander.
Die Zeit transformiert sich gemäß der Relation . Das heißt, dass die Zeit absolut ist. Sie verläuft in allen Bezugssystemen gleich.
Mit der Annahme, dass das Medium für die Ausbreitung von Licht – der Äther – existiert, sollte die Ausbreitung des Lichts auch in Relation zur Bewegung der Erde im Äther stehen.
Hypothese
Die Geschwindigkeit des Lichts muss aus der Perspektive des Bezugssystems Erde eine Relativgeschwindigkeit in Bewegungsrichtung der Erde oder entgegen der Bewegungsrichtung der Erde besitzen, da die Bewegung der Erde im Äther mit der Geschwindigkeit die Ausbreitung des Lichts beeinflusst.
Die ganze Idee ist jetzt, dass sich anhand des Interferenzmusters die Relativgeschwindigkeit der Erde gegenüber dem Äther ablesen lassen könnte. Wie geht das? Michelson und Morley untersuchen zwei verschiedene Aufbauten des Interferometers. Das Interferometer befindet sich dabei auf der Erde, die sich mit Geschwindigkeit relativ zum Äther bewegt, wobei sie annahmen, dass von der Größenordnung der Bahngeschwindigkeit der Erde um die Sonne ist.
Versuchsaufbau Nummer eins
Beim ersten Versuchsaufbau wird das Interferometer aufgestellt und ein Interferenzmuster am Schirm erzeugt.
Versuchsaufbau Nummer zwei
Beim zweiten Versuchsaufbau wird das Interferometer um gedreht, während die Bewegungsrichtung der Erde mit der Geschwindigkeit unverändert bleibt. Wieder bilden die beiden Lichtstrahlen beim Detektor ein Interferenzmuster. Da das Interferometer relativ zum Äther eine andere Geschwindigkeit hat als bei Versuchsaufbau eins, sollte sich das Interferenzmuster entsprechend der Galilei-Transformationen von demjenigen bei Versuch eins unterscheiden. Aus dieser Differenz sollte sich bestimmen lassen.
Ergebnisse und Deutung
Die vielfachen Messungen von Michelson und Morley widersprachen ihren Erwartungen. Unter der Annahme, dass der Äther ruht und die Erde sich mit der Bahngeschwindigkeit (der Erde um die Sonne) darin bewegt, erwarteten sie eine Abweichung zwischen den Interferenzmustern. Doch diese Abweichung stellte sich nicht ein! Da sie aber weiterhin der Vorstellung eines Lichtäthers anhingen, folgerten sie daraus, dass sie irgendeinen Fehler beim Experimentieren oder beim Aufbau des Experiments gemacht haben mussten.
Lorentzkontraktion
Eine alternative Interpretation, die Lorentz verfolgt hatte, war, dass das Experiment richtig ist, aber die Bewegung im Äther einen Einfluss auf die bewegte Materie haben müsse – der Äther also mit der Materie wechselwirkt. Lorentz vermutete, dass Objekte, die sich im Äther bewegten, sich aufgrund von noch zu bestimmenden Wechselwirkungen mit dem Äther verkürzten. Er konnte das aber nicht weiter erklären.
Eine dritte Interpretation, die sich schließlich durchgesetzt hat, war, dass alle Versuche fehlgeschlagen sind, eine absolute Bewegung relativ zu einem universellen Ruhesystem festzustellen.
Das Ende des Äthers
Es gibt kein universelles Ruhesystem und es gibt keinen Äther. Diese dritte Interpretation setzt direkt bei den galileischen Transformationen zwischen relativ zueinander bewegten Bezugssystemen an und darin liegt die Quintessenz der speziellen Relativitätstheorie.
Die große Leistung von Albert Einstein war, die bislang unhinterfragten Annahmen aufzugeben, dass sich bei einem Wechsel der Bezugssysteme Geschwindigkeiten einfach addierten und die Zeit nicht transformierte. An die Stelle der galileischen Relativitätstheorie setzte er die spezielle Relativitätstheorie und damit eine neue Vorstellung von Raum und Zeit. Insbesondere fand man, dass die Hoffnungen von Michelson und Morley daran scheiterten, dass ihr eigener Versuchsaufbau darauf hinwies, dass Licht sich in gleichförmig zueinander bewegten Bezugssystemen mit der gleichen Geschwindigkeit ausbreitet, ein Phänomen, das der Physik Newtons und der Relativitätstheorie Galileis eindeutig widerspricht.
Zusammenfassung zum Äther und der Physik vor Einstein
- Am Anfang des 20. Jahrhunderts bestand die Annahme, dass das Licht zur Ausbreitung als elektromagnetische Welle ein Medium besitzt – den Äther.
- Diese Vermutung konnte mit der Hilfe von vielen Physikern widerlegt werden. Das Experiment von Michelson und Morley zeigt, dass die Ausbreitung von Licht nicht relativ von der Bewegung der Erde im Äther beeinflusst wird.
- Diese Erkenntnisse sind unter anderem in der speziellen Relativitätstheorie von Albert Einstein niedergeschrieben und festgehalten worden.
Häufig gestellte Fragen zum Thema Der Äther und die Physik vor Einstein
Der Äther und die Physik vor Einstein Übung
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Gib die grundlegenden Annahmen der Physik vor Einstein an.
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Beschreibe die Äthertheorie.
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Bezeichne das Michelson-Morley-Experiment.
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Erkläre die Beobachtungen von Michelson und Morley.
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Gib an, was Einsteins spezielle Relativitätstheorie beinhaltet.
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Analysiere, warum sich das Interferenzmuster im Michelson-Morley-Experiment nicht ändert.
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