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Michelson-Morley-Experiment

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Einordnung: Physik | Relativitätstheorie | Optik

Das Michelson-Morley-Experiment ist eines der berühmtesten und bedeutendsten Experimente in der Geschichte der Physik und wurde 1887 von Albert Abraham Michelson und Edward Morley durchgeführt.

Die theoretische Physik Ende des 19. Jahrhunderts postulierte, dass genauso wie Wasserwellen ein Medium für die Ausbreitung benötigen - Wasser - und Schallwellen ein Medium benötigen - Luft - Lichtwellen ebenfalls ein Medium, den Lichtäther für ihre Ausbreitung benötigen. Wegen der enorm großen Lichtgeschwindigkeit war der Nachweis und die Untersuchung des Äthers nicht einfach.

Das Experiment

Der Ansatzpunkt für Michelson und Morley war, die Relativgeschwindigkeit, mit der sich die Erde durch den Äther bewegt zu messen. Sie nahmen an, dass sich die Erde durch den Äther bewegt, wie sich ein Flugzeug durch die Luft bewegt, und einen nachweisbaren "Ätherwind" erzeugt.

Jedes Jahr legt die Erde bei ihrem Umlauf um die Sonne mit einer Geschwindigkeit von etwa 30 km/s, über 100.000 km/h, eine enorme Strecke zurück. Es wurde angenommen, dass die von der Erde aus gemessene Richtung des Windes relativ zum Fixsternhimmel variieren würde, was den Effekt leichter nachweisen lassen würde. Aus diesem Grund, und um andere Effekte, die von der Bewegung der Sonne durch den Äther kommen könnten, trennen zu können, sollte das Experiment zu verschiedenen Zeiten im Jahr durchgeführt werden.

Die Auswirkung des Ätherwindes auf Lichtwellen würde genauso sein, wie die Auswirkung einer starken Strömung eines Flusses auf einen Schwimmer, der sich mit konstanter Geschwindigkeit zwischen zwei Punkten flussaufwärts und flussabwärts bewegt.

Wenn der zweite Punkt direkt flussaufwärts des ersten wäre, würde der Schwimmer durch die Strömung zuerst verlangsamt und dann beim Rückweg beschleunigt werden.

Wenn die Strecke zwischen Start- und Endpunkt senkrecht zur Strömungsrichtung wäre, müsste der Schwimmer das kompensieren, indem er in einem kleinen Winkel schräg zu seinem Ziel schwimmt.

Die Gesamtzeit für Hin- und Rückweg ist für die Richtung senkrecht zur Strömung etwas kleiner. Genauso wäre die Auswirkung des Ätherwindes auf einen Lichtstrahl senkrecht zur Windrichtung geringfügig niedriger als für einen Lichtstrahl parallel dazu.


Über die Strecke von ein paar Metern wäre der Zeitunterschied aber nur in der Größenordnung des millionsten Teils einer millionstel Sekunde. Michelson hatte jedoch bereits eine ganze Menge Zeit investiert, die Lichtgeschwindigkeit zu messen, und hatte mehrere Techniken entwickelt, um Unterschiede in dieser Größenordnung zu messen.

Um jegliche Störungen durch mechanische Erschütterung zu reduzieren, führten Michelson und Morley ihr Experiment im Untergeschoss eines Steingebäudes in Chicago durch. Zusätzlich wurde während der Experimentierphasen der Straßenverkehr in der Umgebung weiträumig gesperrt. Die experimentelle Anordnung wurde auf einer in Quecksilber schwimmenden Steinplatte errichtet, so dass sie erschütterungsfrei gedreht werden konnte. Der optische Aufbau bestand aus einer monochromatischen Lichtquelle, deren Lichtstrahl durch einen teilversilberter Spiegel in zwei Strahlen rechtwinklig zueinander aufgespalten wurde. Nach Verlassen des Strahlteilers wurden beide Strahlen jeweils an einem Spiegel reflektiert und auf einem Beobachtungsschirm wieder zusammengeführt. Dort erzeugten sie ein Streifenmuster aus konstruktiver und destruktiver Interferenz, das äußerst empfindlich auf Änderungen in der Differenz der optischen Wege der beiden Lichtstrahlen reagiert. Man erwartete, dass diese optischen Wege durch die Bewegung der Erde im Äther beeinflusst werden, so dass sich das Interferenzmuster bei Drehung der Steinplatte verschieben müsste. Es blieb jedoch völlig unverändert.

Optische Anordnungen dieser Art werden heute als Michelson-Interferometer bezeichnet und werden zur Messung geringer Wegänderungen für verschiedenste Anwendungszwecke eingesetzt.

Das berühmteste misslungene Experiment

Ironischerweise wurde das Experiment nach all den Planungen und Vorbereitungen das berühmteste misslungene Experiment aller Zeiten. Statt Einsicht in die Eigenschaften den Äthers zu gewähren zeigte es keinen der erwarteten Effekte. Das Gerät verhielt sich, als würde der Ätherwind überhaupt nicht existieren, als würde sich die Erde nicht relativ zu einem Medium bewegen.

Dieses Ergebnis war sehr verwunderlich und durch die damalige Theorie der Lichtausbreitung nicht zu erklären. Mehrere Erklärungen wurden versucht, unter anderem, dass das Experiment einen versteckten Fehler hatte (offenbar Michelsons ursprünglicher Gedanke), oder dass das Gravitationsfeld der Erde irgendwie den Äther mit sich mitzog und so den Effekt lokal verschwinden läßt. Die naheliegende These, dass Licht sich stets mit Lichtgeschwindigkeit relativ zur Lichtquelle bewegen könnte, scheiterte an der Beobachtung von Doppelsternen. Die unterschiedlichen Geschwindigkeiten, mit denen das Licht je nach Position der Sterne in der Umlaufbahn zur Erde ausgesandt würde, würden zu Verdichtungen beziehungsweise Verdünnungen des Lichtstroms führen, die als Helligkeitsvariationen beobachtbar sein müssten. Das ist jedoch nicht der Fall.

Ernst Mach war einer der ersten Physiker der vorschlug, dass das Experiment eigentlich darauf hinauslief, die Äthertheorie zu widerlegen. Entwicklungen in der theoretischen Physik hatten bereits begonnen, eine alternative Theorie vorzuschlagen, die Lorentzkontraktion, die das Ergebnis des Experiments erklärte. Die Entwicklung, die Einsteins spezielle Relativitätstheorie wurde, bot eine vollständige Erklärung ohne einen Äther zu benötigen und war konsistent mit dem Ergebnis des Experiments.

Michelson war nie vollständig von der Nichtexistenz des Äthers überzeugt und führte das Experiment bis zu seinem Tod 1931 mehrere Male mit noch höherer Präzision durch. Morley war auch nicht überzeugt und machte mit Dayton Miller weitere Versuche. 1932 wurde das Kennedy-Thorndike-Experiment, ein modifiziertes Michelson-Interferometer mit unterschiedliche langen Wegen, durchgeführt, bei dem ein Nullergebnis nicht mit der Fitzgerald-Lorentz-Kontraktion erklärt werden könnte.

Das Trouton-Noble-Experiment bezieht sich auf das elektrostatische Äquivalent des optischen Michelson-Morley-Experiments.

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Info Hinweis: Dieser Artikel basiert auf dem Ursprungsartikel Michelson-Morley-Experiment aus der Wiki pedia und er steht unter der GNU-Lizenz link fuer freie Dokumentation, eine Autoren-Liste ist ebenfalls verfuegbar.