Michelson-Morley-Experiment
Das Michelson-Morley-Experiment, eines der bekanntesten und wichtigsten Experimente in der Geschichte der Physik wurde 1887 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.
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2 Relative Wegmessung 3 Weblinks 4 Literatur |
Der Ansatzpunkt für Albert Abraham Michelson und Edward 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 Flusseses 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.
Michelson und Morley bauten auf, was als Michelson-Interferometer bekannt wurde. Das Michelson-Morley-Experiment wurde im Untergeschoß eines Steingebäudes in der Nähe des Meeresspiegels durchgeführt. Ein teilversilberter Spiegel wurde benutzt um einen monochromatischen Lichtstrahl in zwei Strahlen rechtwinklig zueinander aufzuspalten. Nach Verlassen des Strahlteilers wurden beide Strahlen jeweils an einem Spiegel reflektiert und wieder zusammengeführt. Dabei erzeugten sie ein Muster aus konstruktiver und destruktiver Interferenz.
Um möglichen Mängeln in der Konstruktion vorzubeugen wurde des Gerät drehbar gelagert, so dass es durch den ganzen Bereich der möglichen Richtungen des Ätherwindes gedreht werden konnte.
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 verstecken 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.
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 Einsteinss 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.
Neben einer Nichtkonstanz der Lichtgeschwindigkeit verursacht auch eine Änderung des Laufwegs eines der Teilstrahlen eine Änderung im Interferenzbild. Das Michelson-Interferometer kann daher zur relativen Wegmessung genutzt werden, wenn ein Spiegel relativ zum restlichen Interferometer beweglich gelagert wird: Ändert sich der Abstand, so ändert sich die Phase des Interferenzbildes: Die Interferenzstreifen "wandern".
Misst man mittels eines im Interferenzbild platzierten Fotosensors die Helligkeit an einem Punkt, erhält man ein Signal, das Sinusförmig vom relativen Weg des Spiegels abhängt. Daraus kann man - sofern die Bewegungsrichtung des Spiegels bekannt ist - durch Mitzählen der über den Sensor gelaufenen Streifen für jeden Zeitpunkt der Messung den Weg errechnen, den der Spiegel gegenüber seiner Anfangsposition zurückgelegt hat.
Ändert sich die Bewegungsrichtung des Spiegels, besteht das Problem, dass an den Extremstellen des Sinus (den hellsten und dunkelsten Stellen des Interferenzmusters) nicht bekannt ist, ob die Bewegung des Spiegels in die gleiche Richtung fortgesetzt oder umgekehrt wird, da beides den gleichen Signalverlauf erzeugen würde. Daher muss in diesem Fall ein zweiter Sensor an einer anderen Stelle platziert so platziert werden, dass sich nie beide Signale gleichzeitig an Extremstellen befinden.
Die Wegmessung durch Michelson-Interferometer zeichnet sich durch eine (je nach Wellenlänge des Lasers) hohe Auflösung und Linearität aus, stellt aber teilweise hohe Anforderungen an die auswertende Elektronik, da bei hohen Geschwindigkeiten des Spiegels sehr hohe Frequenzen auftreten.
Das Experiment
Das berühmteste misslungene Experiment
Relative Wegmessung
Weblinks
Literatur