Michelson- und Morley-Experiment

Theoretischer Hintergrund

Im 19. Jahrhundert etablierte sich die Wellentheorie mit den Arbeiten von Thomas Young (1773–1829), James Clerk Maxwell (1831–1879) und Heinrich Hertz (1857–1894) als vorherrschendes Modell zur Beschreibung von Licht.
Ende des 19. Jahrhunderts verstand man Licht als elektromagnetische Welle und es war allgemein anerkannt, dass es wie jede Welle ein Ausbreitungsmedium benötigt. Diese hypothetische Umgebung wurde „leuchtender Äther" oder einfach "Äther".
Es wurde angenommen, dass der Äther unbeweglich und allgegenwärtig sei und es Lichtwellen ermögliche, sich durch den Raum auszubreiten. Wissenschaftler glaubten, dass sich die Erde durch diesen Äther bewegte und dass diese Bewegung die Lichtgeschwindigkeit abhängig von der Richtung beeinflussen musste, in die sie sich relativ zum Äther bewegte.

Ziel des Experiments

Das Ziel von Albert Abraham Michelson (1852–1931) und Edward Morley (1838–1923) bestand darin, Schwankungen der Lichtgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Bewegungsrichtung der Erde relativ zum Äther zu messen. Wenn der Äther existierte, wäre zu erwarten, dass die Lichtgeschwindigkeit aufgrund des Doppler-Effekts abhängig von der Ausrichtung des Experiments relativ zur Erdbewegung in diesem Äther variiert.

Der Doppler-Effekt ist ein physikalisches Phänomen, das auftritt, wenn sich eine Wellenquelle (Schall, Licht usw.) relativ zu einem Beobachter bewegt. Dies führt zu einer offensichtlichen Variation der Frequenz der von diesem Beobachter wahrgenommenen Wellen, abhängig von der relativen Bewegung zwischen der Quelle und dem Beobachter.

Beschreibung des Experiments

Um diese Hypothese zu testen, entwickelte Michelson ein Gerät namens Interferometer.
Dieses Gerät zeigte die Lichtgeschwindigkeit in seinem vermeintlichen Medium an, basierend auf dem klassischen Gesetz der Geschwindigkeitsaddition.
Das Gerät teilte einen Lichtstrahl in zwei Strahlen auf, die senkrecht zueinander verlaufen. Diese von Spiegeln reflektierten und dann wieder integrierten Strahlen sollten unterschiedliche Geschwindigkeiten und daher Interferenzstreifen aufweisen.

Das Grundprinzip ist folgendes: Wenn sich die Erde, die eine Geschwindigkeit von etwa 30 km/s relativ zur Sonne hat, durch den Äther bewegt, würde der Lichtstrahl, der sich in Richtung der Erdbewegung bewegt, nicht die gleiche Zeit brauchen, um eine bestimmte Strecke zurückzulegen, wie der Strahl, der sich senkrecht dazu bewegt. Diese Zeitverschiebung sollte zu einer Bewegung der Interferenzstreifen führen, wenn das Gerät um 90 Grad gedreht wird.
Das heißt, aufgrund der Bewegung der Erde durch den Äther sollte die Lichtgeschwindigkeit je nach Ausbreitungsrichtung unterschiedlich sein. Dieses von der Wellentheorie des Lichts vorhergesagte Phänomen sollte eine Phasenverschiebung der Lichtstrahlen und damit eine Verschiebung der Interferenzstreifen im Michelson-Interferometer hervorrufen. Wenn Äther existiert, sollte er als „Wind“ wirken, der das Licht verlangsamt, das sich in die gleiche Richtung wie die Erde bewegt. Diese Verlangsamung sollte zu einer beobachtbaren Verschiebung im Interferometer führen.

Die Analogie eines Schwimmers in einem Fluss

Stellen Sie sich einen Schwimmer vor, der versucht, einen Fluss zu überqueren. Wenn er senkrecht zur Strömung schwimmt, kommt er in einer geraden Linie auf der anderen Seite an, aber die Strömung hat ihn leicht flussabwärts getragen. Wenn er in Richtung der Strömung schwimmt, bewegt er sich relativ zum Ufer schneller, die zurückgelegte Strecke ist jedoch länger, da er von der Strömung getragen wird.
Die Erde „schwamm“ also bei ihrer Bewegung um die Sonne in diesem Äther.

Ergebnisse

Zu jedermanns Überraschung waren die Ergebnisse aller Experimente zwischen 1881 und 1887 negativ. Unabhängig von der Richtung der Erdbewegung um die Sonne wurde kein Geschwindigkeitsunterschied festgestellt. Die Interferenzstreifen verschoben sich in Gegenwart von Äther nicht wie erwartet.

Theoretische Konsequenzen

Das Scheitern des Nachweises des Äthers hatte erhebliche Auswirkungen auf die theoretische Physik. Dieses Ergebnis war einer der entscheidenden Hinweise, die zur Infragestellung der Existenz des Äthers und anschließend zur Entwicklung der speziellen Relativitätstheorie (1905) durch Albert Einstein (1879-1955) führten.

Die Spezielle Relativitätstheorie machte den Äther überflüssig, indem sie postulierte, dass die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum konstant und unabhängig von der Bewegung der Quelle oder des Beobachters ist.

Auswirkungen auf die Physik

Das Experiment von Michelson und Morley wird oft als eines der wichtigsten Experimente in der Geschichte der Physik angesehen. Es markierte einen Wendepunkt in der Abkehr von der Äthertheorie und der Einführung der speziellen Relativitätstheorie, die unser Verständnis grundlegender Konzepte wie Raum, Zeit und Licht radikal veränderte.