Lichtäther


Gedankengang


Basiswissen


Die Ausbreitung von Licht lässt sich mit Formeln beschreiben, die man auch auf Wellen anwenden kann. Wenn aber Licht wellenartig ist, was spielt dann die Rolle des Wassers im Vakuum des Weltraums? Die bisher (erfolglose) Suche führte 1905 zur Entsehung von Einsteins Relativitästheorie.

Vorgeschichte


◦ Früh im 19ten Jahrhundert kam man zu der Ansicht, dass Lichtphänomene Welleneigenschaften haben.
◦ So können sich beispielweise Wellen um ein Hindernis herum ausbreiten.
◦ Dieses Verhalten wurde bereits vor Jahrhunderten auch an Licht beobachtet.
◦ Damit lag die Vermutung nahe, dass Licht etwas wellenartiges sein könnte.
◦ Lies mehr zur Historie unter => Francesco Maria Grimaldi

Oszillatoren


◦ Bei Wellen gibt es immer ein Medium, in dem sie sich ausbreiten.
◦ Klassisch gedachte Wellen brauchen immer schwingende Oszillatoren.
◦ Bei Wasserwellen sind es zum Beispiel die Wasserteilchen.
◦ Bei Schallwellen sind es die Luftmoleküle.
◦ Was schwingt bei Lichtwellen im Vakuum?
◦ Diese Frage führte zum Äthergedanken.

Äther


◦ Man postulierte (nahm an), dass auch das Vakuum Oszillatoren hat.
◦ Diese Oszillatoren stellte man sich als feinste Teilchen vor.
◦ Die Gesamtheit dieser Teilchen nannte man den Lichtäther.
◦ Siehe zum Beispeil => Newtons Äther

"Wasser-Äther"


◦ Aus diesem Modell konnte man Annahmen über die Lichtgeschwindigkeit ableiten.
◦ Dazu erst ein einfaches Gedankenbild mit einfachen Wasserwellen.
◦ Stelle dir vor, du schwebst auf dem Bauch liegend knapp über einer ruhigen Wasseroberfläche.
◦ Von oben lässt du ein kleines Steinchen auf das Wasser fallen.
◦ Das Steinchen wird kreisförmig sich ausbreitende Wellen erzeugen.
◦ Nun fängst du an, dich geradeaus in eine Richtung zu bewegen.
◦ Angenommen, du fliegst nun mit dem Kopf nach vorne, aber sehr langsam.
◦ Die Wellenteile, die sich von dir wegbewegen erscheinen dir jetzt langsamer.
◦ Die Wellenteile, die Richtung Füße laufen erscheinen dir aber schneller.
◦ Relativ zum Wasser bewegen sich die Wellenteile aber genauso schnell wie vorher.
◦ Nun kannst du gedanklich auch schneller fliegen, als sich die Wellen fortbewegen.
◦ Das alles ist mit echten Wasserwellen so wie gedacht auch wirklich möglich.
◦ Das Wasser ist in diesem Modell sozusagen der Äther.
◦ Man kann den Gedanken dann übertragen auf Licht.

Experimentum crucis: Michelson-Morley


◦ Zwei Wissenschaftler, Michelson und Morley, ersannen einen Versuch ähnlich zum "Wasser-Äther"-Gedanken.
◦ Bewegt man sich in dieselbe Richtung, in der sich eine Lichtwelle im Äther ausbreitet, ...
◦ dann müsste man selbst relativ zu dieser Lichtwelle langsamer erscheinen.
◦ Und umgekehrt: Bewegt man sich entgegen der Ausbreitung des Licht, müsste die Lichtwelle schneller erscheinen.
◦ Ein berühmter Versuch dazu brachte aber ein völlig unerwartetes Ergebnis:
◦ Egal in welche Richtung und wie schnell man sich bewegt:
◦ Die relative Geschwindigkeit zum Licht ist immer dieselbe.
◦ Es sind immer in etwa 300 Tausend Kilometer pro Sekunde.
◦ Man nennt das die Konstanz der Lichtgeschwindigkeit.
◦ Dieser Befund ist mit dem Äthermodell unvereinbar.
◦ => Michelson-Morley-Experiment

Einstein


◦ Über Jahrzehnte hinweg beschäftigten sich Physiker und Mathematiker mit dem Widerspruch.
◦ Eine Lösung gab es erst, als Albert Einstein Raum und Zeit selbst hinterfragte.
◦ Als Lösung für das Paradoxon gilt heute Einsteins => Relativitätstheorie

Maxwell


Ein Zitat aus der Entstehungszeit der Wellentheorie des Elektromagnetismus: "Velocity of transverse undulations in our hypothetical medium, calculated from the electromagnetic experiments of 'MM'. Kohlrausch and Weber, agrees so exactly with the velocity of light calculated from the optical experiments of M. Fizeau, that we can scarcely avoid the conclusion that light consists in the transverse undulations of the same medium which is the cause of electric and magnetic phenomena."

Quelle


◦ [1] Lecture at Kings College (1862) as quoted by F. V. Jones, "The Man Who Paved the Way for Wireless," New Scientist (Nov 1, 1979) p. 348 & Andrey Vyshedskiy, On The Origin Of The Human Mind 2nd edition