NZZ Folio 03/07 - Thema: Radio   Inhaltsverzeichnis

Das Experiment -- Licht mit Rückenwind

1881 wollte Albert Michelson den rätselhaften Äther dingfest machen. Seine Arbeit wurde zum erfolgreichsten misslungenen Experiment in der Geschichte der Wissenschaft.

Von Reto U. Schneider
Die Kutschen müssen das Schlimmste gewesen sein. Die Vibrationen des Pferdegetrampels auf der Neuen Wilhelmstrasse in Berlin pflanzten sich bis in den Keller des Physikalischen Instituts fort. Dort stand der 29-jährige Albert Michelson vor seiner Erfindung, dem Interferenzrefraktometer, und war am Verzweifeln.

Das Interferenzrefraktometer war so launisch wie sein Name lang. Jede noch so geringe Erschütterung brachte das Gerät komplett aus der Fassung. Michelson stellte es auf einen Steinsockel und begann, in der Nacht zu arbeiten, doch selbst um zwei Uhr in der Früh war es nicht ruhig genug.

Im April 1881 brachte er den Apparat ins ruhigere Potsdam, in den Keller des dortigen astrophysikalischen Observatoriums. Nun konnte der Forscher endlich durchführen, was als das erfolgreichste misslungene Experiment in die Geschichte der Wissenschaft eingehen sollte. Michelson trug es einen Nervenzusammenbruch und den Nobelpreis ein, doch dem unglaublichen Resultat seines Versuchs misstraute er bis zu seinem Tod.

Albert Michelson hatte an der US-Marineakademie in Annapolis, Maryland, Physik studiert und tat sich als gewiefter Konstrukteur von Präzisionsinstrumenten hervor, mit denen er die Geschwindigkeit des Lichts bestimmte. 1880 reiste er zu einem Studienaufenthalt nach Europa. In Berlin angekommen, wagte er sich an eine der schwierigsten Aufgaben in der Physik: den Nachweis des Äthers.

Licht, so viel wusste man, hat die Eigenschaften einer Welle. Und da jede Welle ein Transportmedium braucht, in dem sie sich ausbreiten kann – die Schallwelle die Luft, die Wasserwelle das Wasser –, etablierte sich die Vorstellung vom Äther, durch den die Lichtwellen wanderten. Der Äther musste ein unsichtbares, gewichtloses Medium sein, das das ganze Universum durchdrang, sich aber von nichts beeinflussen liess – ausser von Licht natürlich. Er transportiert das Licht der Sterne durch den luftleeren Raum des Alls und die Radiowellen vom Sender zum Empfänger. Zwar war der Äther Kernstück aller Theorien über die Ausbreitung elektromagnetischer Wellen, zu denen Licht- und Radiowellen gehören, doch Beweise für seine Existenz gab es keine. Das wollte Michelson ändern.

Er glaubte, dass die Erde durch den im Universum stillstehenden Äther pflügt – wie ein Schiff, das bei ruhiger See und Windstille über das Wasser gleitet. Die Erde legte auf dem Weg um die Sonne dreissig Kilometer pro Sekunde zurück. So wie man an Deck des Schiffs den Fahrtwind spürt, musste auf der Erde deshalb ein Äthergegenwind herrschen, der das Licht beeinflusste: Rückenwind würde das Licht beschleunigen, Gegenwind bremsen. Man brauchte den Geschwindigkeitsunterschied bloss zu messen, und die Existenz des Äthers wäre bewiesen.

Das Rennen der Lichtstrahlen

Diese Idee konnte jedermann in der neunten Ausgabe der «Encylopaedia Britannica» nachlesen, wo der grosse britische Physiker Clerk Maxwell sie aufbrachte. Doch Maxwell zweifelte daran, dass es je möglich sein würde, die Lichtgeschwindigkeit mit der erforderlichen Genauigkeit zu messen.

Licht, das kann ohne Übertreibung gesagt werden, ist sehr, sehr schnell. Wer seine Pultlampe einschaltet, kann nur einen extrem kurzen Espresso trinken, bis das Licht auf dem Tischblatt angekommen ist: Es dauert 0,000000001 Sekunden. Selbst die grobe Messung dieser Geschwindigkeit ist eine Meisterleistung, das wusste keiner besser als Michelson. Er hatte 1878 den bis dahin exaktesten Wert bestimmt: 299 940 Kilometer pro Sekunde.

Es gab jedoch eine Methode, mit der sich direkt die Differenz der Geschwindigkeiten zweier Lichtstrahlen messen liess, ohne dass ihre absoluten Geschwindgkeiten bestimmt werden mussten. Genau das tat Michelsons Interferenzrefraktometer.

Das Gerät teilte den Lichtstrahl einer Lampe in zwei Teile, schickte sie in verschiedene Richtungen los und leitete sie über mehrere Spiegel an denselben Ort zurück. Dort bewirkte der Ätherwind, dass die Strahlen nicht gleichzeitig zurückkamen, und das liess sich aus dem sogenannten Interferenzmuster lesen, das die zwei Lichtstrahlen zusammen erzeugten. Wie das genau funktioniert, ist für das Verständnis des Versuchs unerheblich.

Michelson richtete das Interferenzrefraktometer so aus, dass der eine Strahl in Richtung der Bewegung der Erde zeigte, dort hatte das Licht zuerst Äthergegenwind und – nachdem es vom Spiegel zurückgeworfen worden war – Rückenwind. Den anderen Strahl schickte er rechtwinklig zum ersten aus, wo er nach einem Meter von einem Spiegel auf dem gleichen Weg zurückgeschickt wurde. Er hatte auf beiden Wegen Ätherseitenwind.

Seinen Kindern erklärte Michelson das Experiment so: «Zwei Lichtstrahlen treten gegeneinander an wie zwei Schwimmer: Einer schwimmt zuerst gegen den Strom und dann zurück, der andere legt dieselbe Distanz zurück, indem er den Fluss durchquert und dann zurückschwimmt. Der zweite Schwimmer wird immer gewinnen, wenn der Fluss eine Strömung aufweist.»

Doch wie Michelson sein Messgerät auch aufstellte: Es gab keinen Gewinner. Die Lichtstrahlen kamen immer gleichzeitig zurück. Die Hypothese, dass sich die Erde durch den ruhenden Äther bewege, sei falsch, schrieb Michelson später, doch den Glauben an die Existenz des Äthers mochte er trotzdem nicht aufgeben. Vielmehr spekulierte er, der Äther würde von der sich drehenden Erde mitgerissen und es herrsche in Potsdam im Keller deshalb Ätherwindstille. Diese These wurde später mit weiteren Experimenten widerlegt.

Weil Michelson mit der Präzision des Interferenzrefraktometers nicht zufrieden war und sich herausstellte, dass er beim Experiment in Potsdam einen kleinen Rechenfehler begangen hatte, wiederholte er den Versuch 1887 mit Hilfe des Chemikers Edward Morley an der Case School of Applied Science in Cleveland, Ohio. Die beiden montierten Lichtquelle und Spiegel auf einen tischgrossen und vierzig Zentimeter dicken Steinbrocken, der vibrationsfrei auf Quecksilber schwamm (siehe Bild). Mit demselben Resultat: Die Lichtstrahlen waren gleich schnell.

Wie viele andere Physiker wollte Michelson den einzig möglichen Schluss aus seinen Messungen nicht ziehen: Es gibt keinen Äther. Mit dem Äther mussten sie sich nämlich auch von einem Weltbild verabschieden.

Die Tatsache, dass die Geschwindigkeit des Lichts (und jeder anderen elektromagnetischen Welle) offenbar zu allen Zeiten und in alle Richtungen gleich sein soll, widerspricht in seltener Harmonie der Newtonschen Physik und dem gesunden Menschenverstand. Man kann vor dem Licht weder davonrennen, noch kann man es einholen. Ganz egal mit welcher Geschwindigkeit man sich bewegt: wenn man die Geschwindigkeit des Lichts misst, wird das Ergebnis immer 300 000 Kilometer pro Sekunde betragen. Dass ein Lichtstrahl für zwei Beobachter, die sich unterschiedlich schnell bewegen, gleich schnell ist, sollte man erst gar nicht versuchen zu verstehen. Unsere Alltagserfahrung lehrt uns das Gegenteil, und auch Physiker müssen akzeptieren, dass es einfach so ist.

Einstein löst das Rätsel

1905, seit Michelsons erstem Versuch waren 24 Jahre vergangen, fand der 26-jährige technische Prüfer 3. Klasse des Patentamts Bern, Albert Einstein, heraus, was es mit der konstanten Lichtgeschwindigkeit auf sich hat. Anders als in vielen Lehrbüchern behauptet wird, stützte sich Einstein allerdings nicht auf das Resultat des Michelson-Morley-Experiments, als er die spezielle Relativitätstheorie aufstellte. Dass die Lichtgeschwindigkeit unabhängig von der Bewegung eines Beobachters konstant sein muss, hatte er durch reine Kopfarbeit herausgefunden.

Den Widerspruch, dass zwei unterschiedlich schnelle Beobachter denselben Lichtstrahl mit derselben konstanten Lichtgeschwindigkeit wahrnehmen, löst die Relativitätstheorie auf, indem sie postuliert, dass die Zeit für die zwei Beobachter unterschiedlich schnell vergeht. Obwohl dieser Effekt über jeden Zweifel hinaus nachgewiesen wurde, kann ihn, wie viele andere bizarre Folgen der Relativitätstheorie, ein Menschenhirn nicht wirklich verstehen.

Auch Michelson hatte seine Mühe mit der Relativitätstheorie. Nach einem Vortrag in Göttingen 1907 ging er mit den Zuhörern in ein Café und fragte laut: «An welchen Tisch soll ich mich setzen? An welchem Tisch sitzen die Götzendiener der Relativitätstheorie, und an welchem sitzen die Physiker?» Als Einstein Michelson 1931 am Totenbett zum letzten Mal besuchte, bat ihn seine Tochter: «Bitte vermeiden Sie, dass er wieder vom Äther anfängt.»

In der Wissenschaft hat der Äther nicht überlebt, im Volksmund gibt es ihn aber noch. Auch heute gehen die Radiosendungen noch «über den Äther». Das hartnäckige Festhalten am Begriff mag damit zu tun haben, dass letztlich nicht zu verstehen ist, wie sich eine Welle im Nichts ausbreiten kann. Reto U. Schneider

Unter www.nzzfolio.ch gibt es Links zu einer Simulation des Experiments.

Reto U. Schneider ist stellvertretender Redaktionsleiter von NZZ Folio.

Leserbriefe:

Zu Das Experiment -- Licht mit Rückenwind - NZZ-Folio Radio (03/07)

Michelson hat vielleicht an der US Naval Academy studiert, sicher aber nicht in Annapolis, Kalifornien, sondern in Annapolis, Maryland. Es gibt zwar ein Annapolis in Kalifornien, aber das liegt östlich der Route 1 und damit weg vom Wasser. Nur nebenbei, es gibt auch ein Fort Bragg in Kalifornien, auch nördlich von San Francisco. Aber das "richtige" Fort Bragg, der grosse Stützpunkt der US Army, liegt in North Carolina.
Thomas Baumgartner, Thalwil



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