Wenn Ozeanwellen Störungen eines Mediums (des Ozeans) sind und Schallwellen eine Störung eines anderen Mediums (Luft) sind, was ist dann das Medium für Licht/Elektrizität?
Dass wir hier einen User haben, der in nahezu allen seinen Antworten und Kommentaren behauptet, dass Einstein in einer Rede von 1920 ein großes Äther-Revival veranstaltet hätte, nehme ich hier jetzt mal zum Anlass, die Sache mit dem Lichtäther genauer zu erklären.
Für diejenigen, denen die ganze Antwort zu lang ist, sei das Fazit vorab gespoilert: Der Lichtäther ist experimentell widerlegt und wird es bleiben. Einstein hat dem auch nie widersprochen.
Die Idee des Lichtäthers
Seit der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts war bekannt
, dass man Licht als elektromagnetische Welle beschreiben kann. Wellen hatte man tatsächlich bis dahin nur als Wasserwellen, Schallwellen oder andere Druckwellen beschrieben. Alle diese Wellen waren durch die Bewegung der Materie bedingt - und konnten daher ohne Trägermedium nicht existieren. Allein hieraus ergab sich die Hypothese, dass aller Raum erfüllt sein müsse mit einem speziellen Trägermedium des Lichtes. Dieses Medium nannte man "den Äther".
In der Folge versuchte man über Experimente etwas über diesen vermuteten Lichtäther herauszufinden. So war - neben dem puren Versuch eines Nachweises des Lichtäthers - vor allem die Frage interessant, ob die Erde relativ zum Äther ruht oder sich - etwa aufgrund ihrer Bewegung um die Sonne - relativ zum Äther bewegt.
Der Äther und die Aberration
Die Bewegung der Erde um die Sonne und die nur endlich große Lichtgeschwindigkeit sorgen bei der Beobachtung von Sternen durch das Teleskop für einen "Aberration" genannten Effekt: Während das Licht durch den Tubus des Teleskops läuft, bewegt sich die Erde ein winziges bisschen weiter. Bei einem Stern, der eigentlich mittig senkrecht über dem Teleskop steht, sorgt dies dafür, dass sein Bild deswegen unten im Teleskop nicht mehr mittig ankommt. Damit es doch mittig bleibt, muss man das Teleskop ganz leicht kippen:
(Bildquelle: Spektrum, Lexikon
)
Der Effekt ist wirklich sehr klein, weil die Lichtgeschwindigkeit nun einmal sehr viel größer ist als die Geschwindigkeit der Erde um die Sonne. Der Aberrationswinkel ist ungefähr 90fach kleiner
als der Vollmonddurchmesser. Er konnte erstmals in den 1720er Jahre von Bradley aber gut nachgewiesen werden… der ihn auch gleich benutzte, um den damals besten Wert für die Lichtgeschwindigkeit
zu ermitteln.
Die Aberration wurde wichtig bei der Frage nach dem Äther:
(Bildquelle: Wikipedia
)
Diskutiert wurde konkret die Frage, ob Materie den Äther um sich herum mit sich zieht. Im Falle der Erde würde ein vollständiges Mitziehen des Äthers in Erdnähe dazu führen, dass die Erde relativ zum Äther ruht. Wie das rechte Bild zeigt, würde die Aberration verschwinden, wenn die Erde den Äther vollständig mit sich zieht. Denn dann würde das Licht sich genauso wie das Teleskop verschieben.
Ein Äther, der relativ zur Erde ruht, widerspricht daher den Beobachtungen.
Es sei der Vollständigkeit halber erwähnt, dass der vollständig mitgeführte Äther auch durch weitere Experimente und Beobachtungen widerlegt wurde, wie etwa das Fizeau-Experiment
oder das Michelson-Gale-Pearson-Experiment
.
Michelson-Morley-Experiment
Wenn die Erde nicht ruht relativ zum Äther, dann muss sie sich relativ zum Äther bewegen - oder umgekehrt der Äther relativ zur Erde. Man sprach vom daraus resultierenden "Ätherwind".
Das Michelson-Morley-Experiment
versuchte entsprechend als nächster logischer Schritt die Geschwindigkeit und Richtung des Ätherwindes relativ zur Erde zu bestimmen. Man benutzt hier ein Interferometer mit 2 senkrecht zueinander stehenden Lichtwegen, das im Verlauf des Experimentes gedreht wird. Ein Ätherwind würde sich dabei durch eine Verschiebung des Interferenzmusters bemerkbar machen.
Weder Michelson/Morley noch ihre moderneren Nachfolger fanden einen Ätherwind. Die heutige Messgenauigkeit
liegt bei 10^-17 als höchstmögliche Obergrenze für einen Ätherwindeffekt.
Auf der Erde ist also kein Ätherwind messbar… was einen Äther, der sich relativ zur Erde bewegt, widerlegt.
Zusammengenommen aus allen Experimenten ist daher sowohl der relativ zur Erde ruhende als auch der relativ zur Erde bewegte Äther widerlegt.
Es ist mir an dieser Stelle wichtig, zu betonen, dass - anders als man es oft liest - das Michelson-Morley-Experiment allein für sich genommen den Lichtäther nicht widerlegen kann. Es kann nur einen Äther widerlegen, durch den sich die Erde hindurchbewegt. Der relativ zur Erde ruhende Äther wurde historisch durch andere Experimente widerlegt.
Es ist dieser Widerspruch des weder relativ zur Erde ruhenden noch sich bewegenden Äthers, der die Hypothese des Lichtäthers endgültig widerlegt hat.
Hat Einstein dem in späteren Jahren wirklich widersprochen?
Nein.
Richtig ist, dass Einstein - etwa in seiner Rede von 1920, wie ein hier anwesender User nicht müde wird, immer wieder zu betonen - mitunter den Begriff des Äthers verwendete:
Nach der allgemeinen Relativitätstheorie ist der Raum mit physikalischen Qualitäten ausgestattet; es existiert also in diesem Sinne ein Äther.
Damit war aber nie ein Revival alter und widerlegter Lichtätherkonzepte gemeint. Der Begriff wurde seinerzeit lediglich häufiger und auch in anderem Sinne benutzt.
Einstein beschreibt mit dieser Darstellung lediglich die Tensorgleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie, hier der Einfachheit ohne den Lambda-Term
:
(Bildquelle: Spektrum - Lexikon der Astrophysik
)
Auf der einen Seite steht der metrische Tensor, auf der anderen Seite der Energie-Impuls-Tensor. Letzterer beschreibt die Energieformen, zu denen auch die Materie gehört. Auf der rechten Seite steckt also auch die Materie drin. (Aber auch andere Terme) Sehr lax beschrieben sagt die im Raum eingebettete Materie dem Raum, wie er sich verbiegen muss - während der verbogene Raum der Materie sagt, wohin sie sich deswegen bewegen muss.
Damit erhebt Einstein den Raum, der bei Newton eine passive Bühne der darin ablaufenden Physik war, zum Mitspieler dieser Physik. Dies und nichts anderes beschrieb Einstein in seinem Vortrag (auch wenn es Manche hier nicht wahrhaben wollen).
Dies zeigt sich auch darin, dass er zum Beispiel noch in einem Brief von 1952 - also 30 Jahre später - schrieb, wie sehr ihn die Experimente von Michelson-Morley und Fizeau, sowie die Aberration zur Entwicklung seiner Speziellen Relativitätstheorie geleitet hatten:
My own thought was more indirectly influenced by the famous Michelson-Morley experiment. (…) But the result of Fizeau’s experiment and the phenomenon of aberration also guided me.
Einstein hat nach 1920 noch über 30 Jahre gelebt. Nie in dieser Zeit hat er die widerlegten Hypothesen vom Lichtäther vertreten oder Arbeiten dazu veröffentlicht.
Man sollte sich nicht irritieren lassen von den Feinden der modernen Physik, die mit spitzfindig aus ihrem Kontext gerissenem Quote-Mining ihre Behauptungen zu untermauern suchen.