Relativitätstheorie

Spezielle Relativitätstheorie

MICHELSON-MORLEY-Experiment

  • Warum vergrößert sich die Masse bewegter Körper?
  • Was versteht man unter der Ruheenergie eines Körpers?
  • Wie kommt Einstein zu seiner berühmten Formel E=mc2?

MICHELSON-MORLEY-Experiment

Bereits seit Beginn des 19. Jahrhunderts wusste man, dass Licht sich wie Wellen ausbreitet. Alle anderen bekannten Wellen (Wasserwellen, Druckwellen, Schallwellen) waren an ein Medium gebunden. Daher nahm man an, dass auch das Licht an irgendeine Form von Medium gebunden war, das offensichtlich unsichtbar war. Dieses Medium wurde Lichtäther genannt. Es wurde angenommen, dass sich der Äther selbst in absoluter Ruhe befindet und sich jeder Körper, also auch die Erde, mit einer bestimmten Geschwindigkeit relativ dazu bewegt. Dass sich die Erde gegenüber dem Lichtäther bewegt und nicht der Lichtäther mit der Erde ganz oder teilweise mittransportiert wurde erkannte man aus der Aberration der Sterne:

Abbildung 1: Auch einen Regenauffänger muss man bei schnellem Lauf vorhalten.

Da sich die Erde auf ihrer Bahn mit \(3 \cdot {10^4}\frac{{\rm{m}}}{{\rm{s}}}\) bewegt, das Licht eine Geschwindigkeit von \(3 \cdot {10^8}\frac{{\rm{m}}}{{\rm{s}}}\) hat, muss der Astronom beim Beobachten von Sternen das Fernrohr in Richtung des scheinbaren Sternlichtes ausrichten. Diesen Aberrationswinkel muss der Astronom dem Verlauf der Erdumlaufbahn entsprechend im Laufe eines Jahres anpassen, was zeigt, dass die Lichtrichtung von der Erdgeschwindigkeit abhängig ist.

Auf Grund des Geschwindigkeitsvektordiagramms ergibt sich für ein senkrecht zur Erbahn einfallendes Sternenlicht der größtmögliche Aberrationswinkel (Aberrationskonstante) durch \[{\alpha _{{\rm{max}}}} = \frac{{{v_{{\rm{Erde}}}}}}{c} \Rightarrow {\alpha _{{\rm{max}}}} = 20,48''\]

Abbildung 3: Eine Zeichnung der Originalanordnung.
Abbildung 2: Modernes Interferometer.

Die beiden Physiker Albert Abraham MICHELSON und Edward Williams MORLEY wollten 1887 die Geschwindigkeit der Erde in diesem Äther mit Hilfe von Lichtstrahlen bestimmen. MICHELSON und MORLEY nahmen an, dass die Geschwindigkeit eines Lichtsignals wie am Beispiel der Laufzeitänderung durch Wind (siehe Link am Ende des Artikels) von der Bewegung und der Bewegungsrichtung durch den Äther abhängt. Dafür bauten sie ein äußerst genaues Messinstrument, ein so genanntes Interferometer. Die Idee dahinter: Die Geschwindigkeit des Lichtes wird in zwei verschiedene Richtungen gemessen, einmal in Bewegungsrichtung der Erde und einmal senkrecht dazu und miteinander verglichen. Das Licht, das sich in Richtung der Erdbewegung hin und zurück bewegt, müsste langsamer sein, als das, das senkrecht dazu bewegt wird.

MICHELSON und MORLEY ließen die Lichtstrahlen - um einen längeren Weg zu haben - mehrfach hin und her reflektieren, bis beide Lichtstrahlen vereint in ein Mikroskop zur Beobachtung trafen. Sie bauten ihre Messanordnung auf eine Steinplatte, die auf einem Quecksilbersee schwamm. Auf diese Weise konnten sie die Anordnung erschütterungsfrei drehen und so die Bewegungsrichtung der Erde bezüglich des Experiments verändern.

4 Prinzipieller Aufbau und Beobachtung des MICHELSON-MORLEY-Experiments: Unabhängig von der Lage des Interferometers zur Bewegungsrichtung der Erde tritt keine Interferenz auf

Animation des Versuchs von MICHELSON und MORLEY

 

Ein Lichtstrahl wird im halbdurchlässigen Spiegel geteilt. Die beiden Teil-Lichtstrahlen bewegen sich gleich lange Strecken zu ihren Endspiegeln und zurück und vereinigen sich dann wieder. Sind die Zeiten dabei völlig gleich, kommt es zu konstruktiver Überlagerung mit dem entsprechenden Interferenzmuster für konstruktive Überlagerung. Sind die beiden Zeiten unterschiedlich, so ändert sich das Interferenzmuster.

Doch so sorgfältig die beiden Forscher ihre Messungen auch ausführten, sie konnten keinen Unterschied in der Geschwindigkeit feststellen. Die Lichtgeschwindigkeit blieb konstant.

Folgerungen aus dem Versuch von MICHELSON und MORLEY

Das Nullergebnis des Michelson-Morley-Versuchs, des berühmtesten Versuchs mit negativem Versuchsergebnis, kann zu folgenden Hypothesen führen:

Die Erde ruht im "Lichtäther"

Auf der Erde ist kein Ätherwind messbar, weil die Erde im Ätherwind ruht. Gegen diese Annahme spricht einerseits, dass die Erde keine einzigartige Stellung im Kosmos hat, was bereits zu Zeiten GALILEIs einen Glaubenskrieg auslöste, und andererseits die Aberration der Gestirne.

Der Äther wird von Körpern endlicher Masse mitgeführt

Diese Hypothese ist durch den Versuch von FIZEAU widerlegt. Dabei wird die Lichtgeschwindigkeit in strömenden Flüssigkeiten gemessen. Es zeigt sich (vom Ätherstandpunkt beschrieben), dass die Körper zwar den Äther mitführen, aber nur unvollständig, und um so besser, je größer ihre Brechzahl ist. Luft mit der Brechzahl bei 1 bringt demnach keine merkliche Mitführung zustande.

Kontraktionshypothese (FITZGERALD und LORENTZ 1892)

Körper werden in ihrer Bewegungsrichtung durch den Äther gerade so verkürzt, dass keine messbaren Laufzeitunterschiede zustande kommen. Der Ätherwind ist nach dieser Theorie zwar vorhanden, kann aber nicht gemessen werden. Diese Verkürzung in "Ätherwindrichtung" darf nicht mit der Längenkontraktion auf Grund der Lorentztransformation verwechselt werden.

Es gibt keinen Äther

Diese einfachste Theorie liegt im Grunde den EINSTEIN'schen Postulaten zu Grunde, die lauten:

Die Lichtgeschwindigkeit ist in allen Inertialsystemen (Bezugssystemen, die sich gegeneinander mit konstanter Geschwindigkeit bewegen) gleich.

Alle Inertialsysteme sind bezüglich der Gültigkeit der physikalischen Gesetze gleichberechtigt.

Beachte hierzu auch den Auszug aus der Originalarbeit von EINSTEIN: Zur Elektrodynamik bewegter Körper

Wenn du daran interessiert bist, so kannst du hier die gesamte Originalarbeit von EINSTEIN (1905) (keine leichte Kost, aber in deutscher Sprache) oder aber hier die Originalarbeit von MICHELSON (1887) (in englischer Sprache) ansehen.

Neueste Forschungen

Der Michelson-Versuch wird heute mit modernsten Mitteln wiederholt. Er ist inzwischen so klein, dass man ihn in eine Weltraumsonde packen könnte. Noch wird er aber auf der Erde durchgeführt und verwendet als Vergleichsgeschwindigkeiten die ihre Richtung in 12 Stunden umkehrende Rotationsgeschwindigkeit und die in 6 Monaten sich umkehrende Bahngeschwindigkeit der Erde.

Der Versuch wird von der Experimentalphysik der Uni Düsseldorf durchgeführt, von deren Website auch die Bilder stammen. Statt der Spiegelanordnung verwendet man auf 4 Kelvin in einem Cryostaten heruntergekühlte optische Resonatoren (Core 1 und Core 2) (siehe Bilder unten) in denen die Laserstrahlen hin- und herschwingen.

 
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