In der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts stießen die physikalischen Ansichten über die Natur der Lichtausbreitung, die Wirkung der Schwerkraft und einige andere Phänomene immer deutlicher auf Schwierigkeiten. Sie waren mit dem in der Wissenschaft vorherrschenden ätherischen Konzept verbunden. Die Idee, ein Experiment durchzuführen, das die angehäuften Widersprüche auflösen würde, lag in der Luft.
In den 1880er Jahren wurde eine für die damalige Zeit sehr aufwendige und subtile Versuchsreihe aufgebaut - Michelsons Experimente zur Untersuchung der Abhängigkeit der Lichtgeschwindigkeit von der Bewegungsrichtung des Beobachters. Bevor wir uns näher mit der Beschreibung und den Ergebnissen dieser berühmten Experimente befassen, ist es notwendig, sich daran zu erinnern, was das Konzept des Äthers war und wie die Physik des Lichts verstanden wurde.
19. Jahrhundert Ansichten über die Natur der Welt
Zu Beginn des Jahrhunderts triumphierte die Wellentheorie des Lichts und erhielt brillante ExperimenteBestätigung in den Arbeiten von Jung und Fresnel und später - und theoretische Begründung in den Arbeiten von Maxwell. Licht wies absolut unbestreitbar Welleneigenschaften auf, und die Korpuskulartheorie wurde unter einem Haufen von Tatsachen begraben, die sie nicht erklären konnte (sie wurde erst zu Beginn des 20. Jahrhunderts auf einer völlig neuen Grundlage wiederbelebt).
Doch die damalige Physik konnte sich die Ausbreitung einer Welle nicht anders vorstellen als durch die mechanischen Schwingungen eines Mediums. Wenn Licht eine Welle ist und sich im Vakuum ausbreiten kann, mussten die Wissenschaftler annehmen, dass das Vakuum mit einer bestimmten Substanz gefüllt ist, da ihre Schwingungen Lichtwellen leiten.
Leuchtender Äther
Die mysteriöse Substanz, schwerelos, unsichtbar, von keinem Gerät registriert, hieß Äther. Michelsons Experiment wurde nur entwickelt, um die Tatsache seiner Wechselwirkung mit anderen physikalischen Objekten zu bestätigen.
Hypothesen über die Existenz feinstofflicher Materie wurden im 17. Jahrhundert von Descartes und Huygens aufgestellt, aber im 19. Jahrhundert wurde sie als Luft notwendig und führte gleichzeitig zu unlösbaren Paradoxien. Tatsache ist, dass der Äther, um überhaupt existieren zu können, sich gegenseitig ausschließende oder allgemein physikalisch unwirkliche Eigenschaften haben musste.
Widersprüche im Ätherkonzept
Um dem Bild der beobachteten Welt zu entsprechen, muss der Lichtäther absolut bewegungslos sein – sonst würde dieses Bild ständig verzerrt. Aber seine Unbeweglichkeit stand in unversöhnlichem Widerspruch zu Maxwells Gleichungen und dem PrinzipGalileische Relativität. Um ihrer Erh altung willen musste man zugeben, dass der Äther von sich bewegenden Körpern fortgetragen wird.
Außerdem g alt die feinstoffliche Materie als absolut fest, durchgehend und dabei die Bewegung der Körper durch sie in keiner Weise behindernd, inkompressibel und außerdem querelastisch, da sie sonst keine elektromagnetischen Wellen leiten würde. Außerdem wurde der Äther als alles durchdringende Substanz konzipiert, was wiederum nicht gut zur Vorstellung seiner Leidenschaft passt.
Die Idee und die erste Produktion von Michelsons Experiment
Der amerikanische Physiker Albert Michelson interessierte sich für das Ätherproblem, nachdem er Maxwells Brief gelesen hatte, der nach Maxwells Tod im Jahr 1879 veröffentlicht wurde und in dem er in der Zeitschrift Nature einen erfolglosen Versuch beschrieb, die Bewegung der Erde in Bezug auf den Äther zu erfassen.
Im Jahr 1881 fand Michelsons erstes Experiment statt, um die Lichtgeschwindigkeit zu bestimmen, die sich in verschiedene Richtungen relativ zum Äther ausbreitet, ein Beobachter, der sich mit der Erde bewegt.
Die Erde, die sich im Orbit bewegt, muss der Wirkung des sogenannten ätherischen Windes ausgesetzt sein - ein Phänomen, das dem Luftstrom ähnelt, der auf einem sich bewegenden Körper fließt. Ein monochromatischer Lichtstrahl, der parallel zu diesem „Wind“gerichtet ist, bewegt sich darauf zu, verliert etwas an Geschwindigkeit und umgekehrt (von dem Spiegel reflektiert) in die entgegengesetzte Richtung. Die Geschwindigkeitsänderung ist in beiden Fällen gleich, wird aber zu unterschiedlichen Zeiten erreicht: Der verlangsamte "entgegenkommende" Strahl braucht länger, um sich zu bewegen. Also das Lichtsignalparallel zum "Ätherwind" ausgesendet wird, wird zwangsläufig relativ zu einem Signal verzögert, das die gleiche Entfernung zurücklegt, auch mit Reflexion vom Spiegel, aber in einer senkrechten Richtung.
Um diese Verzögerung zu registrieren, wurde ein von Michelson selbst erfundenes Gerät verwendet - ein Interferometer, dessen Funktionsweise auf dem Phänomen der Überlagerung kohärenter Lichtwellen basiert. Wenn eine der Wellen verzögert wäre, würde sich das Interferenzmuster aufgrund der resultierenden Phasendifferenz verschieben.
Michelsons erstes Experiment mit Spiegeln und einem Interferometer ergab wegen unzureichender Empfindlichkeit des Gerätes und Unterschätzung zahlreicher Störungen (Vibrationen) kein eindeutiges Ergebnis und sorgte für Kritik. Eine deutliche Verbesserung der Genauigkeit war erforderlich.
Wiederholte Erfahrung
1887 wiederholte der Wissenschaftler das Experiment gemeinsam mit seinem Landsmann Edward Morley. Sie verwendeten ein fortschrittliches Setup und achteten besonders darauf, den Einfluss von Nebenfaktoren zu eliminieren.
Die Essenz der Erfahrung hat sich nicht geändert. Der mittels einer Linse gesammelte Lichtstrahl fiel auf einen halbdurchlässigen Spiegel, der in einem Winkel von 45° angeordnet war. Hier teilte er: Ein Strahl drang durch den Teiler, der zweite ging in eine senkrechte Richtung. Jeder der Strahlen wurde dann von einem gewöhnlichen flachen Spiegel reflektiert, zum Strahlteiler zurückgeführt und traf dann teilweise auf das Interferometer. Die Experimentatoren waren von der Existenz eines "ätherischen Windes" überzeugt und erwarteten eine vollständig messbare Verschiebung des Interferenzstreifens um mehr als ein Drittel.
Es war unmöglich, die Bewegung des Sonnensystems im Weltraum zu vernachlässigen, daher beinh altete die Idee des Experiments die Möglichkeit, die Installation zu drehen, um die Richtung des "ätherischen Windes" fein abzustimmen.
Um Vibrationsstörungen und Verzerrungen des Bildes beim Drehen des Geräts zu vermeiden, wurde die gesamte Struktur auf eine massive Steinplatte mit einem in reinem Quecksilber schwimmenden hölzernen Ringschwimmer gestellt. Das Fundament unter der Installation wurde bis in den Felsen eingegraben.
Experimentelle Ergebnisse
Wissenschaftler führten das ganze Jahr über sorgfältige Beobachtungen durch und drehten die Platte mit dem Gerät im und gegen den Uhrzeigersinn. Das Interferenzmuster wurde in 16 Richtungen aufgenommen. Und trotz der für seine Zeit beispiellosen Genauigkeit ergab Michelsons Experiment, das in Zusammenarbeit mit Morley durchgeführt wurde, ein negatives Ergebnis.
Gleichphasige Lichtwellen, die den Strahlteiler verlassen, erreichen die Ziellinie ohne Phasenverschiebung. Dies wiederholte sich jedes Mal an jeder Stelle des Interferometers und bedeutete, dass sich die Lichtgeschwindigkeit in Michelsons Experiment unter keinen Umständen änderte.
Die Überprüfung der Ergebnisse des Experiments wurde wiederholt durchgeführt, auch im 20. Jahrhundert, unter Verwendung von Laserinterferometern und Mikrowellenresonatoren, wobei eine Genauigkeit von einem Zehnmilliardstel der Lichtgeschwindigkeit erreicht wurde. Das Ergebnis der Erfahrung bleibt unerschütterlich: Dieser Wert ist unverändert.
Die Bedeutung des Experiments
Aus den Experimenten von Michelson und Morley folgt, dass der "ätherische Wind" und folglich diese schwer fassbare Materie selbst einfach nicht existiert. Wird ein physikalisches Objekt grundsätzlich in keinem Prozess erkannt, so ist dies gleichbedeutend mit seiner Abwesenheit. Physiker, einschließlich der Autoren des brillant inszenierten Experiments, haben den Zusammenbruch des Ätherkonzepts und damit des absoluten Bezugsrahmens nicht sofort erkannt.
Erst Albert Einstein gelang es 1905, eine konsequente und zugleich revolutionäre neue Erklärung der Ergebnisse des Experiments vorzulegen. Betrachtet man diese Ergebnisse so, wie sie sind, ohne zu versuchen, ihnen spekulativen Ether zu verleihen, gelangte Einstein zu zwei Schlussfolgerungen:
- Kein optisches Experiment kann die geradlinige und gleichförmige Bewegung der Erde nachweisen (das Recht, sie als solche zu betrachten, ist durch die kurze Dauer des Beobachtungsaktes gegeben).
- In Bezug auf jeden Trägheitsbezugssystem bleibt die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum unverändert.
Diese Schlussfolgerungen (die erste - in Kombination mit dem Galileischen Relativitätsprinzip) dienten als Grundlage für Einsteins Formulierung seiner berühmten Postulate. Das Michelson-Morley-Experiment diente also als solide empirische Grundlage für die spezielle Relativitätstheorie.
