Lichtäther
Cleveland, Juli 1887. Michelson und Morley legen eine Steinplatte auf ein Quecksilberbad, stellen Spiegel darauf und drehen sie langsam. Die Erde fliegt mit 30 km/s um die Sonne, und wenn Licht eine Welle im ruhenden Äther ist, muss der entgegenwehende Ätherwind die Streifen im Okular um 0,4 Streifen verschieben. Sie warteten auf die Verschiebung. Sie blieb aus.
Den Äther erfand man, weil eine Welle ein Medium braucht. Schall läuft durch die Luft, eine Welle durch das Wasser — also muss Licht durch etwas laufen, das die Leere füllt. Der Äther musste härter als Stahl sein, um so schnelle Wellen zu tragen, und durfte dabei die Planeten nicht behindern. Der Versuch von 1887 zeigte: Licht bewegt sich in alle Richtungen gleich, wie auch immer die Erde fliegt. 1905 machte Einstein daraus ein Gesetz, und der Äther wurde überflüssig.
| Zeichen | aether · luminiferous aether · ohne Zeichen |
| Wie man suchte | über die Geschwindigkeit der Erde durch den Äther — die Verschiebung der Interferenzstreifen |
| Was angenommen wurde | ruhendes Medium · die Lichtgeschwindigkeit hängt von der Bewegung des Beobachters ab |
| Eingeführt und verworfen | Huygens, 1690 · Fresnel, 1818 · Michelson und Morley, 1887 · Einstein, 1905 |
| Heutige Schreibweise | c = 299 792 458 m/s exakt, seit 1983 — durch die Definition des Meters |
| Typische Werte | 0,37 Streifen — 1887 erwartet · unter 0,01 — beobachtet · 10⁻¹⁷ — Genauigkeit heute |
01 · Definition
Das Medium, durch das das Licht läuft
Ist Licht eine Welle im Äther, hat es eine Geschwindigkeit relativ zum Äther, c. Ein Beobachter, der durch den Äther fliegt, müsste das Licht schneller sehen, wenn es ihm entgegenkommt, und langsamer, wenn er ihm nacheilt. Die Erde fliegt mit 30 km/s um die Sonne — ein Zehntausendstel von c. Genau diesen Unterschied wollte man fassen.
Direkt messen lässt sich eine solche Korrektur nicht, sie ist zu klein. Michelson verglich zwei Lichtwege: längs zum Wind und quer dazu. Wie ein Schwimmer, der im Fluss hin und zurück schwimmt und dann quer hinüber und zurück: Längs zur Strömung dauert es länger. Der Unterschied ist das Quadrat eines kleinen Verhältnisses, (v/c)² = 10⁻⁸. Die Interferenz macht ihn sichtbar: Eine Verschiebung um einen Bruchteil der Wellenlänge verschiebt die hellen Streifen.
Wer zuerst zurück ist
Ein Fluss der Breite L fließt von links nach rechts, die lila Pfeile sind die Strömung. Zwei Schwimmer schwimmen gleich schnell, mit c: der goldene längs des Flusses hin und zurück, der hellblaue quer zum anderen Ufer und zurück. Die Balken unten sind ihre Laufzeiten. Der Querschwimmer ist immer früher zurück. Genauso hätte ein Strahl quer zum Ätherwind einen Strahl längs zum Wind schlagen müssen.
Platte drehen und ins Okular schauen
Es gibt nur eine Hauptaktion — die Taste «Platte drehen». Die Steinplatte schwimmt auf Quecksilber und dreht sich langsam. In der Mitte sieht man sie von oben: eine goldene Lampe, hellblaue Strahlen laufen zu den Spiegeln an den Enden der Arme, je 16 Reflexionen, insgesamt 11 m Lichtweg. Die lila Striche sind der Ätherwind, seine Geschwindigkeit stellt der Schieberegler ein. Rechts das Okular: helle und dunkle Streifen. Gibt es den Äther, müssen die Streifen schwanken, während sich die Platte dreht. Unter dem Okular ein Diagramm: Die lila Kurve ist die Verschiebung nach der Äthertheorie, die goldenen Punkte zeigen, was man tatsächlich sieht. Der Umschalter «Welt mit Äther / Welt von 1887» zeigt beide Antworten.
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02 · Umrechnung
Der Äther hatte keine Einheit, deshalb rechnen wir die gesuchte Geschwindigkeit um. Die Streifenverschiebung im Interferometer wächst mit β², dem Quadrat des Bruchteils der Lichtgeschwindigkeit. Die Bahngeschwindigkeit der Erde ergibt β = 10⁻⁴, β² = 10⁻⁸.
Heute misst man keine Geschwindigkeit mehr «relativ zum Äther». Es gibt nur die Bewegung relativ zur kosmischen Hintergrundstrahlung: Die Sonne bewegt sich mit 370 km/s durch sie hindurch, doch das ist eine beobachtete Bewegung, kein Wind eines Mediums.
| {n} | {v} | {note} |
03 · Größenordnungen
04 · Messgeräte
05 · Schreibregeln
06 · Benachbarte Einheiten
Das Phlogiston verschwand spurlos, der Wärmestoff hinterließ die Kalorie. Der Äther hinterließ am meisten: Die Maxwell-Gleichungen wurden für einen elastischen Äther aufgestellt, und sie haben ihn überlebt. Und die konstante Lichtgeschwindigkeit, die den Äther abschaffte, wurde selbst zur Grundlage des Messens: Über sie ist das Meter definiert.
07 · Historischer Teil
Der Versuch von 1887 ist ein Musterbeispiel dafür, wie man eine Messung gegen das Rauschen aufbaut. Die Sandsteinplatte schwamm auf Quecksilber, damit man sie ohne Stöße drehen konnte. Beobachtet wurde im Keller, mittags und abends, sechzehn Ablesungen pro Umdrehung. Erwartet wurden 0,4 Streifen, die Streuung der Ablesungen lag bei etwa 0,01.
Das Nullergebnis lieferte eine obere Schranke: Die Geschwindigkeit der Erde durch den Äther ist kleiner als etwa 5—8 km/s. Hundert Jahre später wurde die Konstanz der Lichtgeschwindigkeit Teil der Definition des Meters. Seit 1983 ist das Meter die Strecke, die das Licht in 1/299 792 458 Sekunde zurücklegt.
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