Das Michelson-Morely-Experiment
Simulation des Experimentes von Michelson und Morley
Im Jahr 1881 hat Michelson das folgende Experiment zum ersten Mal durchgeführt. Später, im Jahr 1887, hat er das gleiche Experiment in verfeinerter Form noch einmal, gemeinsam mit Morley durchgeführt.
Man hatte damals die Vorstellung, dass sich Licht, genau wie Schall und Wasserwellen, in einem Medium ausbreiten. Schall breitet sich im Medium Luft aus. Die Geschwindigkeit des Schalls in Luft beträgt etwa 330 m/s. Bewegt sich die Luft bei einem Sturm in eine Richtung, so bewegt sich auch der Schall in diese Richtung schneller. In die entgegengesetzte Richtung breitet sich der Schall langsamer aus. Die Geschwindigkeit des Schalls und die Geschwindigkeit des Sturms überlagern sich.
Zunächst sehen Sie, wie sich der Schall ohne Wind ausbreitet. Die Ausbreitung des Schalls wird durch bewegte Punkte dargestellt.
Der Einfluss von Wind
In der nächsten Darstellung kommt Wind hinzu. Außerdem befinden sich 4 Personen, jeweils im Abstand von 1 km entfernt von der Schallquelle.
Mit dem Schieberegler w können Sie die Geschwindigkeit des Windes einstellen. Die Bewegung des Windes wird durch vertikale hellblaue, gestrichelte Linien dargestellt.
Wenn der Schall die Personen erreicht hat, wird die Laufzeit
der Schallwelle angezeigt.
In der Animation konnten sie beobachten, dass der Schall
sich in Windrichtung schneller ausbreitet.
Diese Beobachtung kann man in der Natur tatsächlich
durchführen.
Die Übertragung auf das Licht: Der Äther
So ähnlich hat man sich die Situation beim Licht auch vorgestellt. Allerdings braucht Licht für die Ausbreitung keine Luft. Das wusste man damals auch schon, denn ansonsten könnte man die Sterne am Himmel nicht sehen. Deshalb hat man sich vorgestellt, dass das gesamte Universum mit einem Medium gefüllt ist. Dieses Medium nannte man Äther. Da sich auch auf der Erde das Licht ausbreitet, sollte sich der Äther auch auf der Erde befinden.
Die Erde bewegt sich um die Sonne, die Sonne kreist um das Zentrum der Galaxie. Die Erde bewegt sich also ständig und müsste sich auch relativ zum Äther bewegen. Das entspricht der Situation beim Schall: den bewegten Äther kann man sich als Wind vorstellen. Deshalb müsste die Geschwindigkeit des Lichtes in verschiedenen Richtungen unterschiedlich sein.
Ein „Mitreißen“ des Äthers durch die Bewegung der Erde kann es nicht geben, denn sonst müssten sich die Positionen der Sterne verändern.
Das Experiment mit dem Strahlteiler
Michelson und Morley wollten nun die Geschwindigkeit des Äthers messen. Eine genaue Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit auf der Erde war zur damaligen Zeit recht schwierig. Man kannte nur einen ungefähren Wert.
Michelson und Morley hatten aber eine Idee, wie man den Geschwindigkeitsunterschied zwischen 2 Ausbreitungsrichtungen messen kann.
Die folgende Abbildung zeigt den Aufbau des Experimentes. Am. „Start“ befindet sich eine Lichtquelle. Das Licht wird durch einen bewegten Punkt dargestellt.
Das Licht trifft auf einen halbdurchlässigen Spiegel. Ein Teil des Lichtes wird reflektiert, ein anderer Teil des Lichtes durchquert den halbdurchlässigen Spiegel. An 2 weiteren Spiegeln wird das Licht reflektiert. Ein Teil des lichtes bewegt sich nun horizontal, ein anderer Teil des lichtes bewegt sich vertikal. Das bedeutet, dass sich die beiden aufgeteilten Anteile des Lichtes unterschiedlich zur Bewegungsrichtung des Äthers bewegen.
Wenn die Vorstellung richtig ist, dass sich das Licht in unterschiedliche Richtungen unterschiedlich schnell ausbreitet, müsste man nun einen Zeitunterschied messen, so wie es die Simulation zeigt.
Tatsächlich haben Michelson und Morley aber keinen Zeitunterschied messen können. Das Licht breitet sich in jede Richtung stets mit der gleichen Geschwindigkeit aus, unabhängig davon ob man sich relativ zur Lichtquelle bewegt oder nicht.
Kernfrage:
Welche fundamentale Schlussfolgerung muss aus dem (fehlgeschlagenen) Experiment über die Existenz eines Äthers und über die Natur der Lichtgeschwindigkeit gezogen werden?