Lichtäther
Begründung
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? Diese Frage reicht zurück bis ins 17te Jahrhundert[15]. Die bisher erfolglose Suche nach dem Äther führte 1905 zur Entstehung von Einsteins Relativitätstheorie.
Geschichte der Äther-Idee
- Dass Licht etwas Wellenartiges sein könnte formulierte schon sehr früh Francesco Maria Grimaldi ↗
- Eine ausdrückliche Wellentheorie des Lichts erstellte dann im 17ten Jahrhundert der Physiker Christiaan Huygens ↗
- Dieser, so konnte man zeigen, war nicht der Stoff in dem sich Schall ausbreitete.[11]
- Im frühen 19ten Jahrhundert hatte sich diese Wellenidee des Lichts weitgehend durchgesetzt.[16]
- Siehe zum Beispiel Doppelspaltexperiment nach Young ↗
Oszillatoren als mechanische Voraussetzung
- Bei Wellen gibt es immer ein Medium, in dem sie sich ausbreiten[7].
- Klassisch gedachte Wellen brauchen immer schwingende Oszillatoren.
- Bei Wasserwellen sind es zum Beispiel die Wasserteilchen.
- Bei Schallwellen sind es die Luftmoleküle[9].
- Was schwingt bei Lichtwellen im Vakuum?
- Diese Frage führte zum Äthergedanken.
Der Äther liefert die Oszillatoren
- 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 ↗
James Clerk Maxwell über den Äther
Im 19ten Jahrhundert entwickelte James Clerk Maxwell eine noch heute gültige Theorie des Elektromagnetismus. Auch Maxwell ging von der Existenz eines Äthers aus. Maxwells Äther war dabei nicht nur der Träger der Wellen des Lichts sondern auch der Wellen elektrischer und magnetischer Phänomene:
ZITAT:
"The velocity of transverse undulations in our hypothetical medium, calculated from the electromagnetic experiments of 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."[19]
"The velocity of transverse undulations in our hypothetical medium, calculated from the electromagnetic experiments of 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."[19]
Maxwell argumentiert, dass Licht aus Unudlationen, das heißt Schwingungen, und dass diese Schwingungen transversal sind. Das heißt, die Oszillatoren schwingen senkrecht zur Fortpflanzung des Lichts. Siehe auch Undulationstheorie ↗
"Wasser-Äther" als anschauliches Modell
- Aus diesem Modell konnte man Annahmen über die Lichtgeschwindigkeit ableiten.
- Dazu erst ein einfaches Gedankenbild mit einfachen Wasserwellen.
- Man stelle sich vor, man schwebe auf dem Bauch liegend knapp über einer ruhigen Wasseroberfläche.
- Von oben lässt man dann ein kleines Steinchen auf das Wasser fallen.
- Das Steinchen wird kreisförmig sich ausbreitende Wellen erzeugen.
- Nun fängst man an, sich geradeaus in eine Richtung zu bewegen.
- Angenommen, man fliege dabei mit dem Kopf nach vorne, aber sehr langsam.
- Die Wellenteile, die sich von einem wegbewegen erscheinen jetzt langsamer.
- Die Wellenteile, die Richtung Füße laufen erscheinen aber aber schneller.
- Relativ zum Wasser bewegen sich die Wellenteile aber genauso schnell wie vorher.
- Nun kann man 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.
Hat man eine langsam strömende glatte Wasseroberfläche zur Verfügung, etwa in einem ruhig fließenden Fluss oder Priel, kann man mit Hilfe einer Filmkamera und einer Messlatte den Effekt des Äther anschaulich machen.
Von einem Stein im Wasser erzeugte Wellen pflanzen sich im Wasser immer mit derselben Geschwindigkeit fort. Die Geschwindigkeit des Steins in Richtung der Wellenbewegung spielt für die Geschwindigkeit der Wellen keine Rolle.
Wesentlich für das Verständnis der Äthertheorie ist, dass sich die Wellen in ihrem Medium immer mit derselben Geschwindigkeit relativ zum Medium fortpflanzen.
Der Doppler-Effekt
Eine Konsequenz aus der Konstanz der Geschwindigkeit c von Wellen in ihrem Medium ist der sogenannte Doppler-Effekt. Um diesen Effekt zu verstehen, muss man noch die Bedeutung der Frequenz verstehen. Als Frequenz bezeichnet man die Anzahl der vollständigen Schwingungen die ein Messgerät oder Beobachter in einer bestimmten Zeiteinheit zählt. Bei Wasserwellen könnte man die Frequenz an einem bestimmten Ort, darüber messen, dass man einfach die Anzahl der Wellenberge zählt, die in einer bestimmten Zeitraum dort eintreffen. Die Anzahl der Wellenberge pro Zeiteinheit ist dann die Frequenz. Bewegt sich nun das Medium der Wellen relativ zum Beobachter oder der Beobachter relativ zum Medium, dann erhält man eine andere Frequenz, als bei einem zum Medium ruhenden Beobachter. Siehe mehr dazu unter Doppler-Effekt ↗
Der Ätherwind
Eine weitere Konsequenz aus der Konstant der Geschwindigkeit c von Wellen in ihrem Medium ist der sogenannte Ätherwind. Ganz gleich, ob es gerade Wellen im Äther gibt oder nicht: bewegt sich ein Beobachter relativ zum Äther, so müsste der "Ätherstoff" dem Beobachter von einer Seite als "ins Gesicht blasen". In der Analogie zu Wasserwellen wäre der Ätherwind die Anströmung die ein Beobachter in Richtung seiner Bewegung erfährt. Tatsächlich konnte ein Ätherwind für den hypothetischen Äther des Lichts niemals experimentell bestätigt werden. Im Gegenteil. Siehe dazu den Artikel zum Lichtäther ↗
Experimentum crucis: Michelson-Morley
- Schon im Jahr 1871 deuteten sich Schwierigkeiten beim experimentellen Nachweis des Äthers an[4].
- Zwei Wissenschaftler, Michelson und Morley, ersannen dann im Jahr 1887[5] 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.
Alber Einstein zum Lichtäther
Albert Einstein geht in der Einführung zu seiner speziellen Relativitätstheorie aus dem Jahr 1905 ausdrücklich auf das Problem des Lichtäthers ein. Er spricht über "mißlungene Versuche, eine Bewegung der Erde relativ zum 'Lichtmedium' zu konstatieren".[18]
ZITAT:
"Die Einführung eines 'Lichtäthers' wird sich insofern als überflüssig erweisen, als nach der zu entwickelnden Auffassung weder ein mit besonderen Eigenschaften ausgestatteter 'absolut ruhender Raum' eingeführt, noch einem Punkte des leeren Raumes, in welchem elektromagnetische Prozesse stattfinden, ein Geschwindigkeitsvektor zugeordnet wird."[18]
"Die Einführung eines 'Lichtäthers' wird sich insofern als überflüssig erweisen, als nach der zu entwickelnden Auffassung weder ein mit besonderen Eigenschaften ausgestatteter 'absolut ruhender Raum' eingeführt, noch einem Punkte des leeren Raumes, in welchem elektromagnetische Prozesse stattfinden, ein Geschwindigkeitsvektor zugeordnet wird."[18]
Einstein geht also nicht mehr von einem ruhenden Lichtäther aus und versucht darin eine konstante Lichtgeschwindigkeit unterzubringen. Einstein geht stattdessenn von einer konstanten Lichtgeschwindigkeit aus und zieht daraus Schlüsse auf die Eigenschaften von Raum und Zeit:
ZITAT:
"Wir wollen diese Vermutung (deren Inhalt im folgenden 'Prinzip der Relativität' genannt werden wird) zur Voraussetzung erheben und außerdem die mit ihm nur scheinbar unverträgliche Voraussetzung einführen, daß sich das Licht im leeren Raume stets mit einer bestimmten, vom Bewegungszustande des emittierenden Körpers unabhängigen Geschwindigkeit V fortpflanze."[18]
"Wir wollen diese Vermutung (deren Inhalt im folgenden 'Prinzip der Relativität' genannt werden wird) zur Voraussetzung erheben und außerdem die mit ihm nur scheinbar unverträgliche Voraussetzung einführen, daß sich das Licht im leeren Raume stets mit einer bestimmten, vom Bewegungszustande des emittierenden Körpers unabhängigen Geschwindigkeit V fortpflanze."[18]
Fußnoten
- [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
- [2] Kapitel III. Der Äther (sehr umfangreich). In: Franz Serafin Exner: Vorlesungen über die physikalischen Grundlagen der Naturwissenschaften. Deuticke, Wien 1919, OBV.
- [3] Christiaan Huygens: Abhandlung über das Licht (= Ostwald’s Klassiker der exakten Wissenschaften. Nr. 20). 4. Auflage. Thun, 1996, ISBN 3-8171-3020-1 (französisch: Traité de la lumière. Leide 1690. Übersetzt von Rudolf Mewes, Verfasst um 1678, Nachdruck der Auflage von 1885).
- [4] George Biddell Airy: On the Supposed Alteration in the Amount of Astronomical Aberration of Light, Produced by the Passage of the Light through a Considerable Thickness of Refracting Medium. Proceedings of the Royal Society of London. 20 (130–138): 35–39. 1871.
- [5] Albert Abraham Michelson; Edward W. Morley: On the Relative Motion of the Earth and the Luminiferous Ether. American Journal of Science. 34 (203). 1887. pages 333–345.
- [6] Isaac Newton (1642 bis 1727) sieht unüberwindbare Probleme in der Idee eines Lichtäthers: "And it is as difficult to explain by these Hypotheses, how Rays can be alternately in Fits of easy Reflexion and easy Transmission; unless perhaps one might suppose that there are in all Space two Æthereal vibrating Mediums, and that the Vibrations of one of them constitute Light, and the Vibrations of the other are swifter, and as often as they overtake the Vibrations of the first, put them into those Fits. But how two Æthers can be diffused through all Space, one of which acts upon the other, and by consequence is re-acted upon, without retarding, shattering, dispersing and confounding one anothers Motions, is inconceivable. And against filling the Heavens with fluid Mediums, unless they be exceeding rare, a great Objection arises from the regular and very lasting Motions of the Planets and Comets in all manner of Courses through the Heavens. For thence it is manifest, that the Heavens are void of all sensible Resistance, and by consequence of all sensible Matter." In: Isaac Newton: OPTICKS: OR, A TREATISE OF THE Reflections, Refractions, Inflections and colours OF LIGHT. The FOURTH EDITION, corrected. By Sir ISAAC NEWTON, Knt. LONDON: Printed for WILLIAM INNYS at the West-End of St. Paul's. MDCCXXX (1730).
- [7] Huygens nimmt eine materielle, mechanische Grundlage von Licht an: "It is inconceivable to doubt that light consists in the motion of some sort of matter. For whether one considers its production, one sees that here upon the Earth it is chiefly engendered by fire and flame which contain without doubt bodies that are in rapid motion, since they dissolve and melt many other bodies, even the most solid; or whether one considers its effects, one sees that when light is collected, as by concave mirrors, it has the property of burning as a fire does, that is to say it disunites the particles of bodies. This is assuredly the mark of motion, at least in the true Philosophy, in which one conceives the causes of all natural effects in terms of mechanical motions. This, in my opinion, we must necessarily do, or else renounce all hopes of ever comprehending anything in Physics." In: Treatise on light In which are explained the causes of that which occurs in reflexion, & in refraction and particularly in the strange refraction of Iceland crystal. Aus dem Französischen übersetzt von Silvanus P. Thompson. Französisches Original aus dem Jahr 1690: Traite de la Lumiere. Dort die Seite 3.
- [8] Huygens schließt umherfliegende Teilchen des Lichts aus, das sich Licht aus verschiedenen Richtungen selbst bei einer Überkreuzung nicht gegenseitig stört: "Further, when one considers the extreme speed with which light spreads on every side, and how, when it comes from different regions, even from those directly opposite, the rays traverse one another without hindrance, one may well understand that when we see a luminous object, it cannot be by any transport of matter coming to us from this object, in the way in which a shot or an arrow traverses the air; for assuredly that would too greatly impugn these two properties of light, especially the second of them. It is then in some other way that light spreads; and that which can lead us to comprehend it is the knowledge which we have of the spreading of Sound in the air." In: TREATISE ON LIGHT In which are explained The causes of that which occurs In REFLEXION, & in REFRACTION And particularly In the strange REFRACTION OF ICELAND CRYSTAL. By CHRISTIAAN HUYGENS. Rendered into English By SILVANUS P. THOMPSON. Dort die Seite 4. Im Französischen Original: Traite de la Lumiere. 1690. Dort die Seiten 3 und 4.
- [9] Huygens sieht Licht in Analogie zum Schall in Luft: "We know that by means of the air, which is an invisible and impalpable body, Sound spreads around the spot where it has been produced, by a movement which is passed on successively from one part of the air to another; and that the spreading of this movement, taking place equally rapidly on all sides, ought to form spherical surfaces ever enlarging and which strike our ears. Now there is no doubt at all that light also comes from the luminous body to our eyes by some movement impressed on the matter which is between the two; since, as we have already seen, it cannot be by the transport of a body which passes from one to the other." In: TREATISE ON LIGHT In which are explained The causes of that which occurs In REFLEXION, & in REFRACTION And particularly In the strange REFRACTION OF ICELAND CRYSTAL. By CHRISTIAAN HUYGENS. Rendered into English By SILVANUS P. THOMPSON. Dort die Seite 4. Im Französischen Original: Traite de la Lumiere. 1690.
- [10] Für den Träger des Lichts hat Huygens noch keinen Namen: "And as, according to this Philosophy, one holds as certain that the sensation of sight is excited only by the impression of some movement of a kind of matter which acts on the nerves at the back of our eyes, there is here yet one reason more for believing that light consists in a movement of the matter which exists between us and the luminous body." In: TREATISE ON LIGHT In which are explained The causes of that which occurs In REFLEXION, & in REFRACTION And particularly In the strange REFRACTION OF ICELAND CRYSTAL. By CHRISTIAAN HUYGENS. Rendered into English By SILVANUS P. THOMPSON. Dort die Seite 3. Im Französischen Original: Traite de la Lumiere. 1690.
- [11] Das Licht breitete sich im Äther als Welle aus: "We know that by means of the air, which is an invisible and impalpable body, Sound spreads around the spot where it has been produced, by a movement which is passed on successively from one part of the air to another; and that the spreading of this movement, taking place equally rapidly on all sides, ought to form spherical surfaces ever enlarging and which strike our ears. Now there is no doubt at all that light also comes from the luminous body to our eyes by some movement impressed on the matter which is between the two; since, as we have already seen, it cannot be by the transport of a body which passes from one to the other. If, in addition, light takes time for its passage—which we are now going to examine—it will follow that this movement, impressed on the intervening matter, is successive; and consequently it spreads, as Sound does, by spherical surfaces and waves: for I call them waves from their resemblance to those which are seen to be formed in water when a stone is thrown into it, and which present a successive spreading as circles, though these arise from another cause, and are only in a flat surface." In: TREATISE ON LIGHT In which are explained The causes of that which occurs In REFLEXION, & in REFRACTION And particularly In the strange REFRACTION OF ICELAND CRYSTAL. By CHRISTIAAN HUYGENS. Rendered into English By SILVANUS P. THOMPSON. Dort die Seite 4. Im Französischen Original: Traite de la Lumiere. 1690.
- [12] Huygens verwendet dann den Begriff des Äthers, im französischen Original spricht er von "particules éthérées" (Seite 17) oder "particules de l’éther " (Seite 18) sowie auch nur noch kurz vom Äther an sich "par la fréquenté per- RE cussion des corpuscules qui frappent l’éther" (Seite 21). In: Traite de la Lumiere. 1690.
- [13] Luft kann nicht der gesucht Äther des Lichts sein: "Now if one examines what this matter may be in which the movement coming from the luminous body is propagated, which I call Ethereal matter, one will see that it is not the same that serves for the propagation of Sound. For one finds that the latter is really that which we feel and which we breathe, and which being removed from any place still leaves there the other kind of matter that serves to convey Light. This may be proved by shutting up a sounding body in a glass vessel from which the air is withdrawn by the machine which Mr. Boyle has given us, and with which he has performed so many beautiful experiments. But in doing this of which I speak, care must be taken to place the sounding body on cotton or on feathers, in such a way that it cannot communicate its tremors either to the glass vessel which encloses it, or to the machine; a precaution which has hitherto been neglected. For then after having exhausted all the air one hears no Sound from the metal, though it is struck." Und: "One sees here not only that our air, which does not penetrate through glass, is the matter by which Sound spreads; but also that it is not the same air but another kind of matter in which Light spreads; since if the air is [Pg 12]removed from the vessel the Light does not cease to traverse it as before." In: TREATISE ON LIGHT In which are explained The causes of that which occurs In REFLEXION, & in REFRACTION And particularly In the strange REFRACTION OF ICELAND CRYSTAL. By CHRISTIAAN HUYGENS. Rendered into English By SILVANUS P. THOMPSON. Dort die Seite 11. Im Französischen Original: Traite de la Lumiere. 1690.
- [14] Der Äther durchdringt Materie: "And this last point is demonstrated even more clearly by the celebrated experiment of Torricelli, in which the tube of glass from which the quicksilver has withdrawn itself, remaining void of air, transmits Light just the same as when air is in it. For this proves that a matter different from air exists in this tube, and that this matter must have penetrated the glass or the quicksilver, either one or the other, though they are both impenetrable to the air. And when, in the same experiment, one makes the vacuum after putting a little water above the quicksilver, one concludes equally that the said matter passes through glass or water, or through both." In: TREATISE ON LIGHT In which are explained The causes of that which occurs In REFLEXION, & in REFRACTION And particularly In the strange REFRACTION OF ICELAND CRYSTAL. By CHRISTIAAN HUYGENS. Rendered into English By SILVANUS P. THOMPSON. Dort die Seite 12. Im Französischen Original: Traite de la Lumiere. 1690. Die Betrachtung von Huygens ist eingebettet in Spekulationen zum hypothetischen Lichtäther ↗
- [15] E. T. Whittaker. A History of the Theories of Aether and Electricity: from the Age of Descartes to the Close of the Nineteenth Century. Dublin University Press series. London; New York; Dublin: Longmans, Green; Hodges, Figgis. 1910.
- [16] Maxwell fordert einen Äther, in: James Clerk Maxwell: On a possible mode of detecting a motion of the solar system through luminiferous ether. Posthum veröffentlicht in: Proceedings of the Royal Society. 30. 188. Dort die Seiten 108 bis 110. Siehe auch Michelson-Morley-Experiment ↗
- [17] Das Video zur Nachstellung des Äthers mit Hilfe von Wasserwellen entstand im Juli 2024 auf der Nordseeinsel Wangerooge. Das Video ist näher beschrieben auf: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/9/98/Ätherwind_(Wasserwellen-Modell).webm
- [18] Albert Einstein: Zur Elektrodynamik bewegter Körper. In: Annalen der Physik und Chemie. 17, 1905, S. 891–921. Online: https://myweb.rz.uni-augsburg.de/~eckern/adp/history/einstein-papers/1905_17_891-921.pdf
- [19] James Clerk Maxwell: On physical lines of force. Philosophical Magazine. 90: 11–23. (1861). doi:10.1080/14786431003659180.
- [20] Rowan Hamilton schreibt 1833 über Huygens Idee von Licht in einem Äther: "...Huygens, who compared the gradual propagation of light, not to the
to our ears; but only the aerial motion spreads, the air near the cannon is disturbed first, then that which is a little farther, and last of all the air that touches us. Or like the waves that spread and grow upon some peaceful lake, when a pebble has stirred its surface; the floating water-lilies rise and fall, but scarcely quit their place, while the enlarging wave passes on and moves them in succession. So that great ocean of ether which bathes the farthest
stars, is ever newly stirred, by waves that spread and grow, from every source of light, till they move and agitate the whole with their minute vibrations: yet like sounds through air, or waves on water, these multitudinous disturbances make no confusion, but freely mix and cross, while each retains its identity, and keeps the impress of its proper origin. Such is the view of Light which Huygens adopted, and which justly bears his name; because, whatever kindred thoughts occurred to others before, he first shewed clearly how this view conducted to the laws of optics, by combining it with that essential principle of the undulatory theory which was first discovered by himself, the principle of accumulated disturbance." In: Hamilton, William Rowan, Sir (1833). On a general method of expressing the paths of light, & of the planets, by the coefficients of a characteristic function. Printed by P.D. Hardy.
- [21] Der Astrophysiker Arthur Stanley Eddington geht noch im Jahr 1927 von der Existenz eines Äthers aus und hält fest, dass er nicht durch Atome beeinflusst zu werden scheint: "Thirty years ago there was much debate over the question of aether-drag—whether the earth moving round the sun drags the aether with it. At that time the solidity of the atom was unquestioned, and it was difficult to believe that matter could push its way through the aether without disturbing it. It was surprising and perplexing to find as the result of experiments that no convection of the aether occurred. But we now realise that the aether can slip through the atoms as easily as through the solar system, and our expectation is all the other way." In: Arthur Stanley Eddington: The Nature of the Physical World. MacMillan, 1928 (Gifford Lectures). Dort "Chapter I The Downfall of Classical Physics". Seite 3.