Der Äther und die Physik vor Einstein

Der Äther und die Physik vor Einstein Übung

• Gib die grundlegenden Annahmen der Physik vor Einstein an.

  Tipps

  Die Annahmen der Physik vor Einstein wurden durch das Michelson-Morley-Experiment widerlegt.

  Raum und Zeit sind vor Einstein physikalisch nicht beeinflussbar.

  Die Äthertheorie war gültig.

  Lösung

  Albert Einstein gelang mit seiner speziellen Relativitätstheorie ein Paradigmenwechsel in der Physik.

  Vor Einstein glaubte man in der Wissenschaft, dass Raum und Zeit absolut sind, also dass diese nicht physikalisch beeinflussbar und unendlich wären. Ebenso war man sicher, das Raum und Zeit zwei voneinander klar unterscheidbare, nicht zu kombinierende physikalische Elemente waren.

  Als dritte wichtige Annahme vermutete man, Licht bräuchte ebenso wie Schall ein Medium, durch welches es sich ausbreiten kann. Diese Funktion sprach man dem Äther zu, einer nicht nachweisbaren Substanz, die das Licht durch das Universum wehen sollte.

  Der Gegenbeweis wurde durch das Michelson-Morley-Experiment erbracht. Auf deren Beobachtungen baute Einstein seine Postulate für die spezielle Relativitätstheorie auf.

• Beschreibe die Äthertheorie.

  Tipps

  Michelson und Morley widerlegten die Äthertheorie.

  Man vermutete, dass sich Licht und Schall sehr ähnlich ausbreiten müssten.

  Lösung

  Die Äthertheorie war in der Wissenschaft vor Albert Einstein die gängige Erklärung für die Ausbreitung des Lichtes.

  Vorherrschende Meinung war, dass Licht brauche ein Medium, um sich auszubreiten. Genauso, wie dies bei einer Schallwelle der Fall ist.

  Man postulierte also, dass das Licht sich auf dem so genannten Äther ausbreiten würde.

  Dieser sollte das Universum in Form von Ätherwinden durchkreuzen und so das Sonnenlicht von der Sonne, zur Erde bringen.

  Dabei musste die Lichtgeschwindigkeit richtungsabhängig sein, je nachdem, ob sich das Licht mit oder entgegen des Ätherwindes ausbreitete. Man vermutete also, dass eine Glühlampe einen Raum, je nachdem, in welche Richtung der Ätherwind wehte, unterschiedlich schnell ausgehen würde.

  Diese Überlegungen nahmen Michelson und Morley zum Ansatzpunkt für ihr Experiment, in dem sie die Existenz des Äthers nachweisen wollten. Ihre Ergebnisse zeigten jedoch, dass Licht sich in jede Richtung stets gleich schnell ausbreitet, sodass der Äther nicht existieren konnte und die Theorie widerlegt war.

  Später nahm sich Einstein diesen Beweis zum Anlass und postulierte seine Grundannahmen für die spezielle Relativitätstheorie

• Bezeichne das Michelson-Morley-Experiment.

  Tipps

  Das Interferenzmuster ist die Grundlage der Interpretation des Versuches.

  Ein Detektor wird eingesetzt, um physikalische Phänomene sichtbar zu machen.

  Ein Halbspiegel ist ein Spiegel, der Licht sowohl bricht, als auch zu gewissen Anteilen durchlässt.

  Lösung

  Im Michelson-Morley-Experiment betrachtet man das Interferenzmuster, welches durch die Überlappung zweier kohärenter Lichtstrahlen entsteht.

  Dabei wird ein Lichtstrahl aus einer kohärenten Quelle emittiert. Dieser wird an einem halbdurchlässigen Spiegel zu einem Teil reflektiert und auf Spiegel 1 gelenkt. Ein anderer Teil wird durchgelassen und trifft auf Spiegel 2.

  Von Spiegel 1 und 2 werden die Lichtstrahlen reflektiert und auf einen Detektor gelenkt. Dieser bildet das Interferenzmuster ab, welches die Grundlage der Interpretation bildet.

• Erkläre die Beobachtungen von Michelson und Morley.

  Tipps

  Das Experiment bewies: Es gibt keinen Äther, auf dem sich das Licht ausbreitet.

  Ein Interferenzmuster bildet sich aufgrund der Überlagerung von Wellen.

  Lösung

  Michelson und Morley betrachteten das Verhalten der Interferenzmuster zweier Lichtstrahlen aus einer kohärenten Quelle.

  Dabei wurde ein Lichtstrahl auf einen halbdurchlässigen Spiegel gelenkt und so in zwei einzelne separiert. Da die Strahlen in verschiedene Richtungen liefen, hätten diese aufgrund der Richtung des Ätherwindes unterschiedlich beeinflusst werden müssen. Diese Änderung hätte man im Interferenzmuster detektieren können.

  Da sich dieses Muster jedoch unabhängig von der Richtung der beiden Strahlen einstellte, konnte es kein Medium geben, welches die Geschwindigkeit der Ausbreitung des Lichtes beeinflusste. Somit war die Äthertheorie widerlegt.

  Michelson ging zunächst davon aus, dass ein Fehler aufgetreten war. Doch Einstein verstand, dass die Eigenschaften der Ausbreitung des Lichtes anders waren, als man lange Zeit angenommen hatte.

• Gib an, was Einsteins spezielle Relativitätstheorie beinhaltet.

  Tipps

  Einstein charakterisiert die Effekte der Relativität in seinen Ausführungen.

  Einstein geht davon aus, dass sich das Licht in alle Richtungen gleich schnell ausbreitet.

  Einstein legt die Lichtgeschwindigkeit als obere Grenze jeder Geschwindigkeit fest.

  Lösung

  In seiner 1905 aufgestellten speziellen Relativitätstheorie widmet sich Einstein vor allem den Phänomenen, die bei zwei sich relativ zueinander bewegenden Beobachtern auftreten.

  Dabei nahm Einstein grundsätzlich an, dass es keinen Äther gibt, der das Licht transportiert und sich Licht deshalb gleichmäßig und in alle Richtungen mit der maximal möglichen Geschwindigkeit $ c = 299.792 \frac{km}{s} $ bewegt.

  Die Beobachtung rein mechanischer Phänomene in verschiedenen Inertialsystemen ist im Relativitätsprinzip von Galileo beschrieben und von daher auch nicht das Zentrum der Ausführungen Einsteins.

• Analysiere, warum sich das Interferenzmuster im Michelson-Morley-Experiment nicht ändert.

  Tipps

  Ein Interferenzmuster bildet die Überlagerung der Amplituden zweier Wellen ab.

  Ein Wind bewegt sich gerichtet.

  Licht ist eine Welle.

  Lösung

  Betrachtet man zwei kohärente Wellen, die sich überlagern, so ergänzen sich deren Wellentäler und Wellenberge zu einem Interferenzmuster. Dabei addieren sich zwei Amplituden und bilden eine größere Amplitude. Dieser Effekt tritt auch bei Schallwellen auf, sodass durch zwei Lautsprecherboxen in einem Raum (beide emittieren kohärente Schallwellen) Stellen entstehen, an denen es durch Überlagerung der Wellen lauter oder leiser ist. Verschieben wir einen der Lautsprecher, so ändert sich das Interferenzfeld und somit die Orte im Raum, an denen sich der Schall bündelt.

  Dieser Effekt ist auch für das Licht gültig. Da sich dieses ebenfalls als Welle ausbreitet, gibt es auch hier Orte, an denen sich die Amplituden der Wellen überlagern. Sie beschreiben dann ein charakteristisches Interferenzmuster, welches solange gleich bleibt, wie die Quellen des Lichtes ebenfalls am selben Ort platziert sind.

  Da dem Äther eine gerichtete Bewegung zugeschrieben wurde (wie jedem anderen Wind auch), müsste dieser die Verteilung der Amplituden einer Welle beeinflussen. Somit müsste das Interferenzmuster ebenfalls geändert werden.

  Im Michelson-Morley-Experiment wurde jedoch bewiesen, dass das Interferenzmuster zweier kohärenter Lichtstrahlen stets dasselbe ist, egal aus welcher Richtung die sich überschneidenden Lichtstrahlen stammten. Damit war die Existenz des Äthers widerlegt.