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Das Banner der Rhetos-Website: zwei griechische Denker betrachten ein physikalisches Universum um sie herum.

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



Oszillatoren als mechanische Voraussetzung



Der Äther liefert die Oszillatoren



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]

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



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



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]

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]

Fußnoten


motion of a projectile, but to the spreading of sound through air, or of waves through water. It was, according to him, no thing, in the ordinary sense, no body, which moved from the sun to the earth, or from a visible object to the eye; but a state, a motion, a disturbance, was first in one place, and afterwards in another. As, when we hear a cannon which has been fired at a distance, no bullet, no particle even of air, makes its way from the cannon
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.