Das Michelson-Morley Experiment. Der Grundstein der Relativitätstheorie

Inhalt

1. Einleitung

2. Die Ätherhypothese

3. Das Michelson-Morley Experiment
3.1 Historischer Hintergrund des Michelson-Morley Experiments
3.2 Der Versuchsaufbau
3.2.1 Versuchsaufbau von Michelson 1881
3.2.2 Verbesserter Versuchsaufbau von Michelson und Morley 1887
3.3 Erklärungen des erwarteten Ergebnisses anhand von klassischen Rechnungen
3.4 Erläuterung des Versuchsergebnisses

4. Erklärungsversuche im Rahmen der Ätherhypothese
4.1 Mitführungshypothese
4.1.1 Erklärung der Mitführungshypothese
4.1.2 Der Versuch von Fizeau
4.1.3 Ergebnis und Folgerungen des Versuches von Fizeau
4.2 Lichtgeschwindigkeit hängt von der Bewegung der Quelle ab
4.3 Kontraktionshypothese

5. Eine Widerlegung der klassischen Physik

6. Der Grundstein der Relativitätstheorie
6.1 Das Michelson-Morley Experiment sowie die Lorentz Transformationen dienten Einstein als Grundlage für die Relativitätstheorie

7. Heutige Anwendungen des Michelson Interferometers
7.1 Die Messung von Gravitationswellen
7.2 Erforschung der Entstehung unserer Galaxie mit Hilfe des Michelson Interferometers

8. Schluss

1. Einleitung

Das Michelson-Morley Experiment ist eines der berühmtesten Experimente der Physik. Es legt den Grundstein für die moderne Physik und zeigt die Grenzen der klassischen Physik auf. Es ist interessant zu sehen, dass die damaligen Wissenschaftler so in ihrem physikalischen Weltbild verhaftet waren, dass sie das Ergebnis des Experiments nur mit Hilfe der klassischen Physik zu erklären versuchten und letztlich daran scheiterten. Erst rund 20 Jahre später vermochten andere Wissenschaftler mit Hilfe der Relativitätstheorie und modernen Physik das Ergebnis des Michelson-Morley Experiments zu erklären. Besonders gefällt mir die komplexe, aber interessante Mathematik hinter dem Versuch und die Tatsache, dass fast alle Physiker, die sich mit dem Versuch beschäftigten, auch gleichzeitig Mathematiker waren. Auch wenn das Experiment schon über 100 Jahre alt ist, findet es in unserer modernsten Forschung noch Anwendung. Das beste Beispiel dafür ist die Entdeckung der Gravitationswellen vor gerade mal 3 Jahren

2. Die Ätherhypothese

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Abbildung 1 : Ausbreitung von Wasserwellen

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Abbildung 2 :Ausbreitung von Schallwellen

Bis zum Anfang des 20. Jahrhundert galt die Mechanik als einzige Grundlage zur Erklärung von physikalischen Prozessen. Schon damals war bekannt, dass sich mechanische Wellen - wie zum Beispiel Schall- oder Wasserwellen - immer unabhängig von der Geschwindigkeit der Quelle in einem Medium ausbreiten. Schall beispielsweise benötigt zur Ausbreitung immer ein be­stimm­tes elastisches Medium, an das er gebun­den ist. Dies kann ein festes oder flüssiges Medium sein oder auch ein Gas. Die Ausbreitung dieser Wellen wird durch die Wellengleichung von J. L. R. d‘ Alembert beschrieben. Wenn man die Ausbreitung von Schall- und Wasserwellen vergleicht, fällt auf, dass sich beide ähnlich verhalten. Deshalb war man damals überzeugt, dass sich auch elektromagnetische Wellen auf die gleiche Art und Weise verhalten. Das Medium, in dem sich Licht ausbreiten sollte, nannte man Äther. Der Begriff Äther geht auf den griechischen Philosophen Aristoteles zurück, der den Äther als 5. Element definierte, welches das ganze Universum ausfüllen sollte. Chemisch gesehen sei der Äther eine Gruppe von besonders leichtflüchtigen Verbindungen (siehe Günther 1996, S. 15). Aber anders als mechanische Wellen müsse der Äther auch im Vakuum und in Festkörpern vorhanden sein, weil sich auch dort Licht ausbreiten kann. Raith bringt dies in seinem Buch „Elektromagnetismus“ von 1999 auf Seite 432 treffend auf den Punkt: „Der als Medium für die Lichtausbreitung angenommene Äther mußte den ganzen Raum ausfüllen, nicht nur Vakuum und Luft, sondern auch licht-durchlässige Flüssigkeiten und Fest­körper.“ Die Erde müsse sich demnach mit einer Geschwindigkeit von in diesem ruhenden Äther drehen, da die Ge­schwin dig­keit ist, mit der sich die Erde um die Sonne dreht. Diese These war im 19. Jahrhundert allgemein anerkannt und wurde wiederholt zu beweisen versucht. Der wohl bekannteste Versuch dazu ist das Michelson-Morley Experiment.

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Abbildung 3: Rotation der Erde

3. Das Michelson-Morley Experiment

3.1 Historischer Hintergrund des Michelson-Morley Experiments

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Abbildung 4: Michelson (links) und Morley (rechts)

Das Michelson-Morley Experiment wurde 1881 zum ersten Mal von dem Physiker Albert A. Michelson am Stadtrand von Potsdam erfolgreich durchgeführt. Zuvor hatte dieser es auch schon in Berlin gestartet, musste es aber wegen zu großer Störungen abbrechen. Da das Experiment von 1881 nicht das erwartete Ergebnis aufzeigte, führte Michelson den Versuch 1887 in Zusam­men­arbeit mit dem Che­miker Edward Morley in verbesserter Form in Ohio (USA) durch. Das Ergebnis blieb jedoch unverändert. In den folgenden Jahr-zehnten wiederholten beide den Versuch immer wieder, das Ergebnis aber blieb das gleiche. Michelson erhielt 1907 den Nobelpreis für Physik – jedoch nicht für das Michelson-Morley Experiment, sondern für seine optischen Präzisionsinstrumente und seine damit ausgeführten, spektroskopischen und metrologischen Untersuchungen.

3.2 Der Versuchsaufbau

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Abbildung 5: Das Michelson Interferometer

3.2.1 Versuchsaufbau von Michelson 1881

Bei seinem ersten Versuch 1881 benutzte Michelson folgende Versuchsanordnung, die als Michelson-Interferometer bezeichnet wird.

Die Lichtquelle S sendet monochromatisches Licht aus, das auf den halbdurchlässigen Spiegel M, der zur Hälfte mit Silber bezogen ist, in einem Winkel von 45° am Punkt C trifft. Durch den halbdurchlässigen Spiegel M wird der Lichtstrahl in Lichtstrahl 1 und 2 geteilt.

Lichtstrahl 1 wird von dem halbdurchlässigen Spiegel M um 90° abgelenkt und trifft auf den Vollspiegel M1 im Punkt A, der den Lichtstrahl vollständig reflektiert. Er trifft im Punkt C` im 45° Winkel auf den halbdurchlässigen Spiegel M, der den Lichtstrahl wieder zerteilt. Die eine Hälfte läuft durch den halbdurchlässigen Spiegel M durch und trifft dann auf den Detektor E. Die zweite Hälfte des Lichtstrahls wird reflektiert und ist für den Versuch unerheblich.

Lichtstrahl 2 läuft durch den halbdurchlässigen Spiegel M durch und trifft auf den Vollspiegel M2 im Punkt B, der den Lichtstrahl reflektiert, so dass er wieder in einem 45° Winkel auf den Spiegel M am Punkt C‘ auftrifft und diesen erneut teilt. Die eine Hälfte dieses Lichtstrahls wird durch den halbdurchlässigen Spiegel im rechten Winkel abgelenkt und trifft dann auf den Detektor E. Die andere Hälfte des Lichtstrahls geht durch den Spiegel durch und ist für den Versuch unwichtig.

Im Detektor E werden die beiden Lichtstrahlen dann zur Interferenz gebracht.

3.2.2 Verbesserter Versuchsaufbau von Michelson und Morley 1887

Bei den späteren Versuchen, die Michelson und Morley zusammen durchführten, benutzten sie eine etwas komplexere Versuchsanordnung: Als Lichtquelle verwendeten sie fast monochromatisches Licht, da das Interferenzmuster ausgeprägter ist, je einfarbiger das Licht ist. Um fast monochromatisches Licht zu erreichen, benutzten sie eine Natrium-Spektrallampe¹, in der Salzkristalle verbrannt wurden.

Zum Vergleich:

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Abbildung 6: monochromatisches Licht Abbildung 7: polychromatisches Licht

Die vorherige Versuchsanordnung wäre perfekt gewesen, wenn der halbdurchlässige Spiegel eine Dicke von 0 gehabt hätte. Der Lichtstrahl, der durch den halbdurchlässigen Spiegel zum Spiegel M1 abgelenkt wird, wird Licht­strahl 1 ge­nannt, der Licht­strahl, der zum Spiegel M2 durchgelassen wird, wird als Licht­strahl 2 be­zeich-net. Licht-strahl 1 durch­quert die Dicke des Spiegels, wie im Bild zu sehen, dreimal, bevor er auf den Detektor triff, hingegen Licht­strahl 2 nur einmal. Weil das Licht sich im Vakuum und in der Luft anders ausbreitet als im Glas, wird die Geschwindigkeit des Lichtstrahls beeinflusst. Um dies auszu­gleich­en, bauten Michelson und Mor­ley eine Kompen­sationsplatte ein, die gerade die Dicke des Spiegels besaß und somit wieder für gleiche Bedingungen sorgte. Der Unterschied, der ohne die Kompensationsplatte entstanden wäre, ist aber vernachlässigbar.

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Abbildung 8: Kompensationsplatte des Michelson Interferometer

Michelson und Morley versuchten­ die Licht­strahlen mehrmals an den Spiegeln hin und her zu reflektieren, um so eine Strecke von 11 Metern zu bekommen, die die Licht­strahlen zurücklegen müs­sen. Das führte zu einer Genauigkeit, die fast 10-mal so hoch war wie die des ersten Versuchs, da dort die Strecke nur 1,2 Meter betrug.

Um die Apparatur drehbar zu machen, benutzten sie folgenden Aufbau: a bezeichnet hier die Lichtquelle, b und q sind die halbdurch-lässigen Spiegel, c und d sind die Vollspiegel und e be-zeichnet den Detektor.

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Abbildung 9: Schematischer Aufbau des Experiments

Das Interferometer befindet sich auf einer Steinplatte, die auf einem Holzkörper liegt, der in einer mit Quecksilber gefüllten Rinne schwimmt, die leicht gedreht werden kann (vgl. Demtröder, 2005 S. 318).

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Abbildung 10: Aufbau Michelson-Morley Experiment

Abbildung 11 zeigt eine originalgetreue Nachbildung des Versuchsaufbaus von 1881. Michelson führte das Experiment zum ersten Mal erfolgreich im Observatoriumsgebäude in Potsdam durch.

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Abbildung 11: Nachbau des Experiments

3.3 Erklärungen des erwarteten Ergebnisses anhand von klassischen Rechnungen

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Abbildung 12: Erklärungen des Versuchs

Wenn der Lichtstrahl parallel zur Erdbewegung verläuft, muss er deshalb auf dem Hinweg dem Ätherwind entgegengesetzt, also in Richtung der Erdbewegung sein. Nach den Regeln der klassischen Physik müsste sich der Lichtstrahl dann nach den Galilei Transformationen mit einer Ge-schwindigkeit relativ zur Erde bewegen. Für die Zeit, die er benötigt, folgt daraus:

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¹ Eine besondere Art von Öllampe