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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.${^1}$ 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.${^2}$

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 $A$ nach $B$ 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. $K$ und $K^\prime$) gleich lauten, die sich gleichförmig zueinander bewegen, wobei für die Transformation von $K$ nach $K^\prime$ insbesondere gilt:

Ein Objekt, das sich mit Geschwindigkeit $v$ in $K$ in gleicher Richtung wie $K^\prime$ bewegt, hat die Geschwindigkeit $v - v^\prime$ in $K^\prime$, wobei $v^\prime$ die Relativgeschwindigkeit von $K^\prime$ ist. Die Geschwindigkeiten der beiden Systeme sind relativ zueinander.

Die Zeit transformiert sich gemäß der Relation $t = t^\prime$. 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 $c$ muss aus der Perspektive des Bezugssystems Erde eine Relativgeschwindigkeit $c-v$ in Bewegungsrichtung der Erde oder $c+v$ entgegen der Bewegungsrichtung der Erde besitzen, da die Bewegung der Erde im Äther mit der Geschwindigkeit $v$ 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 $v$ relativ zum Äther bewegt, wobei sie annahmen, dass $v$ 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.

Michelson-Morley-Experiment

Versuchsaufbau Nummer zwei

Beim zweiten Versuchsaufbau wird das Interferometer um $90^\circ$ gedreht, während die Bewegungsrichtung der Erde mit der Geschwindigkeit $v$ 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 $v$ bestimmen lassen.

Um 90° gedrehter Versuchsaufbau

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

Was ist Äther und wie beeinflusst er die Ausbreitung von Licht?
Was waren die Ergebnisse des Michelson-Morley-Experiments?
Welche Auswirkungen hatte das Michelson-Morley-Experiment auf die Physik?
Quellenangaben
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Der Äther und die Physik vor Einstein Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Lerntext Der Äther und die Physik vor Einstein kannst du es wiederholen und üben.
  • Gib die grundlegenden Annahmen der Physik vor Einstein an.

    Tipps

    Die Annahmen der Physik vor Einstein wurden durch das Michelson-Morley-Experiment widerlegt.

    Raum und Zeit sind vor Einstein physikalisch nicht beeinflussbar.

    Die Äthertheorie war gültig.

    Lösung

    Albert Einstein gelang mit seiner speziellen Relativitätstheorie ein Paradigmenwechsel in der Physik.

    Vor Einstein glaubte man in der Wissenschaft, dass Raum und Zeit absolut sind, also dass diese nicht physikalisch beeinflussbar und unendlich wären. Ebenso war man sicher, das Raum und Zeit zwei voneinander klar unterscheidbare, nicht zu kombinierende physikalische Elemente waren.

    Als dritte wichtige Annahme vermutete man, Licht bräuchte ebenso wie Schall ein Medium, durch welches es sich ausbreiten kann. Diese Funktion sprach man dem Äther zu, einer nicht nachweisbaren Substanz, die das Licht durch das Universum wehen sollte.

    Der Gegenbeweis wurde durch das Michelson-Morley-Experiment erbracht. Auf deren Beobachtungen baute Einstein seine Postulate für die spezielle Relativitätstheorie auf.

  • Beschreibe die Äthertheorie.

    Tipps

    Michelson und Morley widerlegten die Äthertheorie.

    Man vermutete, dass sich Licht und Schall sehr ähnlich ausbreiten müssten.

    Lösung

    Die Äthertheorie war in der Wissenschaft vor Albert Einstein die gängige Erklärung für die Ausbreitung des Lichtes.

    Vorherrschende Meinung war, dass Licht brauche ein Medium, um sich auszubreiten. Genauso, wie dies bei einer Schallwelle der Fall ist.

    Man postulierte also, dass das Licht sich auf dem so genannten Äther ausbreiten würde.

    Dieser sollte das Universum in Form von Ätherwinden durchkreuzen und so das Sonnenlicht von der Sonne, zur Erde bringen.

    Dabei musste die Lichtgeschwindigkeit richtungsabhängig sein, je nachdem, ob sich das Licht mit oder entgegen des Ätherwindes ausbreitete. Man vermutete also, dass eine Glühlampe einen Raum, je nachdem, in welche Richtung der Ätherwind wehte, unterschiedlich schnell ausgehen würde.

    Diese Überlegungen nahmen Michelson und Morley zum Ansatzpunkt für ihr Experiment, in dem sie die Existenz des Äthers nachweisen wollten. Ihre Ergebnisse zeigten jedoch, dass Licht sich in jede Richtung stets gleich schnell ausbreitet, sodass der Äther nicht existieren konnte und die Theorie widerlegt war.

    Später nahm sich Einstein diesen Beweis zum Anlass und postulierte seine Grundannahmen für die spezielle Relativitätstheorie

  • Bezeichne das Michelson-Morley-Experiment.

    Tipps

    Das Interferenzmuster ist die Grundlage der Interpretation des Versuches.

    Ein Detektor wird eingesetzt, um physikalische Phänomene sichtbar zu machen.

    Ein Halbspiegel ist ein Spiegel, der Licht sowohl bricht, als auch zu gewissen Anteilen durchlässt.

    Lösung

    Im Michelson-Morley-Experiment betrachtet man das Interferenzmuster, welches durch die Überlappung zweier kohärenter Lichtstrahlen entsteht.

    Dabei wird ein Lichtstrahl aus einer kohärenten Quelle emittiert. Dieser wird an einem halbdurchlässigen Spiegel zu einem Teil reflektiert und auf Spiegel 1 gelenkt. Ein anderer Teil wird durchgelassen und trifft auf Spiegel 2.

    Von Spiegel 1 und 2 werden die Lichtstrahlen reflektiert und auf einen Detektor gelenkt. Dieser bildet das Interferenzmuster ab, welches die Grundlage der Interpretation bildet.

  • Erkläre die Beobachtungen von Michelson und Morley.

    Tipps

    Das Experiment bewies: Es gibt keinen Äther, auf dem sich das Licht ausbreitet.

    Ein Interferenzmuster bildet sich aufgrund der Überlagerung von Wellen.

    Lösung

    Michelson und Morley betrachteten das Verhalten der Interferenzmuster zweier Lichtstrahlen aus einer kohärenten Quelle.

    Dabei wurde ein Lichtstrahl auf einen halbdurchlässigen Spiegel gelenkt und so in zwei einzelne separiert. Da die Strahlen in verschiedene Richtungen liefen, hätten diese aufgrund der Richtung des Ätherwindes unterschiedlich beeinflusst werden müssen. Diese Änderung hätte man im Interferenzmuster detektieren können.

    Da sich dieses Muster jedoch unabhängig von der Richtung der beiden Strahlen einstellte, konnte es kein Medium geben, welches die Geschwindigkeit der Ausbreitung des Lichtes beeinflusste. Somit war die Äthertheorie widerlegt.

    Michelson ging zunächst davon aus, dass ein Fehler aufgetreten war. Doch Einstein verstand, dass die Eigenschaften der Ausbreitung des Lichtes anders waren, als man lange Zeit angenommen hatte.

  • Gib an, was Einsteins spezielle Relativitätstheorie beinhaltet.

    Tipps

    Einstein charakterisiert die Effekte der Relativität in seinen Ausführungen.

    Einstein geht davon aus, dass sich das Licht in alle Richtungen gleich schnell ausbreitet.

    Einstein legt die Lichtgeschwindigkeit als obere Grenze jeder Geschwindigkeit fest.

    Lösung

    In seiner 1905 aufgestellten speziellen Relativitätstheorie widmet sich Einstein vor allem den Phänomenen, die bei zwei sich relativ zueinander bewegenden Beobachtern auftreten.

    Dabei nahm Einstein grundsätzlich an, dass es keinen Äther gibt, der das Licht transportiert und sich Licht deshalb gleichmäßig und in alle Richtungen mit der maximal möglichen Geschwindigkeit $ c = 299.792 \frac{km}{s} $ bewegt.

    Die Beobachtung rein mechanischer Phänomene in verschiedenen Inertialsystemen ist im Relativitätsprinzip von Galileo beschrieben und von daher auch nicht das Zentrum der Ausführungen Einsteins.

  • Analysiere, warum sich das Interferenzmuster im Michelson-Morley-Experiment nicht ändert.

    Tipps

    Ein Interferenzmuster bildet die Überlagerung der Amplituden zweier Wellen ab.

    Ein Wind bewegt sich gerichtet.

    Licht ist eine Welle.

    Lösung

    Betrachtet man zwei kohärente Wellen, die sich überlagern, so ergänzen sich deren Wellentäler und Wellenberge zu einem Interferenzmuster. Dabei addieren sich zwei Amplituden und bilden eine größere Amplitude. Dieser Effekt tritt auch bei Schallwellen auf, sodass durch zwei Lautsprecherboxen in einem Raum (beide emittieren kohärente Schallwellen) Stellen entstehen, an denen es durch Überlagerung der Wellen lauter oder leiser ist. Verschieben wir einen der Lautsprecher, so ändert sich das Interferenzfeld und somit die Orte im Raum, an denen sich der Schall bündelt.

    Dieser Effekt ist auch für das Licht gültig. Da sich dieses ebenfalls als Welle ausbreitet, gibt es auch hier Orte, an denen sich die Amplituden der Wellen überlagern. Sie beschreiben dann ein charakteristisches Interferenzmuster, welches solange gleich bleibt, wie die Quellen des Lichtes ebenfalls am selben Ort platziert sind.

    Da dem Äther eine gerichtete Bewegung zugeschrieben wurde (wie jedem anderen Wind auch), müsste dieser die Verteilung der Amplituden einer Welle beeinflussen. Somit müsste das Interferenzmuster ebenfalls geändert werden.

    Im Michelson-Morley-Experiment wurde jedoch bewiesen, dass das Interferenzmuster zweier kohärenter Lichtstrahlen stets dasselbe ist, egal aus welcher Richtung die sich überschneidenden Lichtstrahlen stammten. Damit war die Existenz des Äthers widerlegt.

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