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last change later than 2003 September 11, D.-E.Liebscher
 

Das Michelson-Experiment in Potsdam (1881)

Die Erklärung der Aberration des Sternenlichts im Wellenbild erfordert die Hypothese eines frei durch alle Materie flutenden Trägermediums (Äthers) der Lichtwellen. Fresnel rang sich zu dieser Auffassung durch, weil sonst die Aberration dem Wellenbild der Lichtausbreitung widersprochen hätte. Nur langsam gewöhnte man sich an diese eigentlich utopische Eigenschaft. Michelson zeigte nun mit seinem Experiment, dass diese Hypothese nicht haltbar ist und das Trägermedium (dessen Existenz nicht in Frage gestellt wurde), wie es der Alltagsverstand erwartet, von der Erde mitgenommen wird und Fresnels Erklärung der Aberration zusammenbricht.

The interpretation of these results is that there is no displacement of the interference bands. The result of the hypothesis of a stationary ether is thus shown to be incorrect, and the necessary conclusion follows that the hypothesis is erroneous.
This conclusion directly contradicts the explanation of the phenomenon of aberration which has been hitherto generally accepted, and which presupposes that the earth moves through the ether, the latter remaining at rest.

Dieses Experiment wurde zum erstem Male erfolgreich 1881 in Potsdam im Keller unter der Ostkuppel des Hauptgebäudes des ehemeligen Astrophysikalischen Observatoriums (heute beherbergt es das Potsdamer Institut für Klimafolgenforschung) durchgeführt. Es hat später noch viele Verbesserungen erfahren, insbesondere von Michelson selbst, und sein Interferometer hat in der physikalischen Messtechnik einen Siegeszug angetreten

Der Aufbau der Versuchs ist schnell erklärt (Michelson applet). Eine Welle durch läuft einen Weg quer zur Bewegung der Erde durch den Äther (hin und zurück), die andere läuft der Bewegung der Erde voraus oder entgegen und kehrt dann zurück. Dazu wird ein Lichtstrahl geteilt. Die Teilstrahlen laufen gegen Spiegel (in einer Entfernung L), die sie zurückwerfen, so dass sie zur Überlagerung gebracht werden können. Mit Hilfe der Überlagerungsfigur (Interferenz) zweier Lichtwellen kann man relative Veränderungen in den beiden Wegen, die sie durchlaufen haben, schnell feststellen.
Wir nehmen nun an, dass sich die Apparatur mit einer Geschwindigkeit v (30 km/s ist die Geschwindigkeit der Erde auf ihrer Bahn um die Sonne) gegen den Äther bewegt. Die Lichtgeschwindigkeit bezeichnen wir mit c (300000 km/s). Wenn der Strahl quer zur Bewegungsrichtung an seinem Spiegel angekommen ist, hat er auch noch den Weg geschafft, den die Apparatur bis zu dieser Zeit genommen hat, im Ganzen also nach Pythagoras c2tquer2 = Lquer2 + v2tquer2. Der Strahl in Bewegungsrichtung hat einmal cthin = Llängs + vthin, und zurück ctrück = Llängs - vtrück.

Zunächst ergibt sich
tquer2 = Lquer2 / (c2 - v2),
thin = Llängs/(c-v) und
trück = Llängs/(c+v). Die Wegedifferenz ist
2 ctquer - cthin - ctrück = 2Lquer/sqrt(1-(v/c)2) -Llängs/(1-v/c) - Llängs/(1+v/c) approx 2Lquer(1+(1/2)(v/c)2) - 2Llängs(1+(v/c)2)
Wird der Apparat nun gedreht, verändern sich die Wege entsprechend der Lage der Arme und die Interferenzfigur müsste das zeigen. Der erwartete Effekt zeigt sich aber nicht.

Das Medium wird von der Erde mitgenommen, so wie ein Pelztier die Luft in der Umgebung der Haut mitnimmt. Was ist daran so ärgerlich? Es ist ein kleiner astronomischer Effekt, die Aberration. Bradley hatte 1729 gezeigt, dass das Licht sich, wie von Newton erwartet, wie ein Strom von Teilchen benimmt, deren Einfallrichtung sich zu ändern scheint, wenn man sich in ihm bewegt. Das beobachtet jeder an seinem Regenschirm, der nach vorn geneigt muss, wenn man sich im Regen bewegen will. Dieser Effekt, die Aberration des Sternenlichts, wurde als Stütze sowohl der Newtonschen Lichttheorie als auch der kopernikanischen These der Bewegung der Erde um die Sonne gefeiert.

Als nun Thomas Young und nach ihm Auguste Fresnel die Wellentheorie des Lichts propagierten, weil nur diese die Interferenzerscheinungen erklären konnte, war es einfach, mit den Huygensschen Konstruktionen, die wir aus der Schule kennen, Brechung und Spiegelung zu erklären. Nur die Aberration, die war plötzlich verschwunden. In der Wellentheorie, wie man sie damals konform mit der Mechanik formulieren musste, gibt es keine Aberration der Wellenfronten. Fresnel war deshalb gezwungen, ein Trägermedium zu unterstellen, das frei und ungehindert durch die dichteste Materie strömt (insbesondere durch Wände eines Teleskops). Dann schneidet nämlich das Objektiv aus der Wellenfront einen Teil heraus, der in diesem Äther wie ein Krümel mitschwimmt und die so die Aberration wieder wie in einem Teilchenstrom entsteht. Das reichte damals als Erklärung aus, weil die heutigen Möglichkeiten, die Lage von Wellenfronten selbst zu messen, ganz unerreichber waren (Applet Aberration).

Genau diese Ausrede mit dem freien Fluss des Äthers wurde vom Michelson-Versuch zu Fall gebracht. Das Aberrationsproblem war wieder offen. Einsteins Relativitätstheorie löste die Frage ganz geometrisch, ohne auf die genauen Eigenschaften eines Äthers oder überhaupt einen Äther zurückgreifen zu müssen, mit der Relativität der Gleichzeitigkeit. Wenn man verlangt, dass die Aberration der Wellenfronten des Lichts mit der Aberration eines Photonenregens übereinstimmt, ergibt sich die Relativitätstheorie.

Michelson,A.A.: The relative motion of the Earth and the luminiferous ether, The American Journal of Science 22 (1881), 120-129.
Michelson,A.A.: Die Relativbewegung der Erde gegen den Lichtäther, Deutsche Übersetzung mit einem Vorwort von A.H.Compton und einem Nachwort von M.v.Laue, Die Naturwissenschaften 19 (1931, Heft 38), 777-784.
Bleyer,U., Gottlöber,S., Haubold,H.-J., Hempelmann,A., Mücket,J.-P., Müller,V., Stoll,D.: Zur Geschichte der Lichtausbreitung, Die Sterne 55(1979), 24-40.

Zum historischen Umfeld:
P.Brosche, D.-E.Liebscher: Fallstricke der Aberration

Zu modernen Entwicklungen:
Tests of Special Relativity und
What is the experimental basis of Special Relativity? 		    english

Rekonstruktion im Keller unter der Ostkuppel des AOP (jetzt PIK) auf dem Telegrafenberg


und einige Poster

Handout in pdf



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