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? Die bisher (erfolglose) Suche führte 1905 zur Entstehung von Einsteins Relativitästheorie.
Vorgeschichte
- Dass Licht etwas Wellenartiges sein könnte formulierte schon sehr früh Francesco Maria Grimaldi ↗
- Eine ausdrückliche Wellentheorie des Lichts erstellte dan im 17ten Jahrhundert der Physiker Christiaan Huygens ↗
- Als Medium, in dem sich die Wellen ausbreiten, nahme er einen sogenannten Äther an[3].
- Dieser, so konnte man zeigen, war nicht der Stoff in dem sich Schall ausbreitete[11].
- Huygens hypothetischer Äther durchdrang dabei die Materie wie auch den festen Raum[14].
- Im frühen 19ten Jahrhundert hatte sich diese Wellenidee des Lichts weitgehend durchgesetzt.
- 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 ↗
"Wasser-Äther" als anschauliches Modell
- Aus diesem Modell konnte man Annahmen über die Lichtgeschwindigkeit ableiten.
- Dazu erst ein einfaches Gedankenbild mit einfachen Wasserwellen.
- Stelle dir vor, du schwebst auf dem Bauch liegend knapp über einer ruhigen Wasseroberfläche.
- Von oben lässt du ein kleines Steinchen auf das Wasser fallen.
- Das Steinchen wird kreisförmig sich ausbreitende Wellen erzeugen.
- Nun fängst du an, dich geradeaus in eine Richtung zu bewegen.
- Angenommen, du fliegst nun mit dem Kopf nach vorne, aber sehr langsam.
- Die Wellenteile, die sich von dir wegbewegen erscheinen dir jetzt langsamer.
- Die Wellenteile, die Richtung Füße laufen erscheinen dir aber schneller.
- Relativ zum Wasser bewegen sich die Wellenteile aber genauso schnell wie vorher.
- Nun kannst du 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.
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.
Einstein
- Über Jahrzehnte hinweg beschäftigten sich Physiker und Mathematiker mit dem Widerspruch.
- Eine Lösung gab es erst, als Albert Einstein Raum und Zeit selbst hinterfragte.
- Als Lösung für das Paradoxon gilt heute Einsteins Relativitätstheorie ↗
Maxwell
Ein Zitat aus der Entstehungszeit der Wellentheorie des Elektromagnetismus: "Velocity of transverse undulations in our hypothetical medium, calculated from the electromagnetic experiments of 'MM'. 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."
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 lvmière. 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 ↗