| Der Michelson-Morley-Versuch | |||||||
Wir
unterlassen lange Einleitungen und gehen davon aus, dass der Besucher
dieser Website die Gelegenheit längst genutzt hat, sich technische
und historische Informationen über einen Versuch zu verschaffen, der
immer wieder als Grundlage der Relativitätstheorien bezeichnet wird,
was nicht ganz der Tatsache entspricht. Jedenfalls erwähnt Einstein
den Versuch selbst in seiner grundlegenden Arbeit von 1905
nicht, sondern geht lediglich auf die Maxwell-Gleichungen
ein. |
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Auf Seite 366 des Buches oder hier erwähnten wir den Versuch schon der Vollständigkeit halber und verglichen ihn mit dem Wettkampf zweier Schwimmer, wovon einer den Fluss quert und der andere dieselbe Strecke das Ufer entlang schwimmt. Ersetzt man die Schwimmer durch zwei Lichtstrahlen, das Wasser durch den Äther und das Ufer durch die Erde, so hat man scheinbar eine völlige Analogie zum Michelson-Versuch. Die Messung der Zeitdifferenz müsste die Bestimmung der Geschwindigkeit gestatten, mit welcher der Äther an der Erde vorbei oder diese durch den Äther streicht. Da die Erde bestimmt an zwei gegenüberliegenden Punkten ihrer Bahn um die Sonne verschiedene Geschwindigkeiten2 haben soll (Unterschied 60 km/s), sollte wenigstens im Sommer oder im Winter eine Zeitdifferenz in einer Größenordnung auftreten, die mit optischen Geräten völlig sicher messbar wird. |
Hinweis:
Eine etwas einfachere Analyse des Versuchs wie die folgende findet man
im Aufsatz "Ungeeignete Drift-Experimente"
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Die Grundlage der T.A.O.-Matrix-Theorie ist eine absolute Grundstruktur, die als Medium das Licht (und die Materie) als Impuls-Information trägt. Das entspricht in etwa dem absoluten Äther1, macht das Licht scheinbar unabhängig von der Quelle, aber keinesfalls unabhängig vom Beobachter. Man hätte experimentell daher zumindest dieses "Zurückbleiben" des Lichts feststellen können - mit der Einschränkung, dass die einzelnen Lichtsphären in ihrer zeitlichen Aufeinanderfolge mit der Lichtquelle "mitgehen". Die Schwimmeranalogie trifft deshalb für das Verhalten des Lichts gar nicht zu! Wir werden den Versuch deshalb hier etwas genauer analysieren. (Bitte auch Beitrag "Konstanz und Isotropie des Lichts" beachten!)
Wir stellen uns des leichteren
Verständnisses wegen ein gigantisches Interferometer mit Armlängen von
300000 Kilometern vor (sehr viel leichter wird's wohl auch nicht sein
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Die Abbildung I zeigt die Situation des senkrechten Interferometer-Armes, der sich in Bewegung befindet, für den Zeitraum auf, welcher für den waagrechten Strahl bis zur Rückkehr nach P' benötigt wird. Michelson erwartete eine Zeitdifferenz nach:
Michelson errechnete die Laufzeit des senkrechten Armes mit:
Übertragen auf unser riesenhaftes Gedankeninstrument ergibt sich so eine Zeit von
<
Die Laufzeit des in Bewegungsrichtung liegenden Armes errechnet sich mit
Man erwartet daher einen Vorsprung des senkrechten Strahls von 2,000
000 02 Dieser Wert ergibt sich mit Näherung auch mit Formel (l):
Nun sehen wir uns die Strecke des senkrechten Strahls genauer an. Unter der Bedingung des Galilei'schen Additionsverfahrens ergibt sich ein Dreieck P-P'-S2*, dessen Seiten 300 000,000 150 000 025 Kilometer und dessen Grundlinie 60,000 006 04 Kilometer betragen. Dies deshalb, weil der waagrechte Strahl nach 2,00000002 Sekunden nach P zurückkehrt, P jedoch währenddessen nach P' gewandert ist. Der senkrechte Strahl benötigt für eine Länge rund 1,0000000005 Sekunden, kommt daher nach 2,000000001 Sekunden bei P' an, offenbar tatsächlich genau mit dem Vorsprung von
2,000 000 02 Wir sehen, dass dies mit der vorhin berechneten Differenz von der Dimension her übereinstimmt, und auch Michelson in seinem Versuch von einer solchen Situation ausgegangen sein musste. Wir erkennen aber auch sofort, dass an unserem Rieseninstrument etwas nicht geheuer ist. Wenn die Strecke P-S2* zum Zeitpunkt der Reflexion des Strahls bereits mehr als 300 000 Kilometer beträgt, Licht aber nicht schneller als 300 000 km/s sein kann, wie könnte es den Spiegel S2* dann erreichen und treffen? Licht besteht nicht aus einem linear durchgehenden "Strahl", sondern aus einer Folge von Impulsen ("Photonen"), die nacheinander ausgesandt werden, während sich der Spiegel bewegt. Die Schwimmeranalogie, symbolisiert im linken Bild, ist problemlos mit dem Galilei-Additionstheorem berechenbar, aber sie ist auf Licht von vornherein nicht anwendbar, weil die Auffächerung der Lichtimpulse, bedingt durch das Mitbewegen der Lichtsphäre mit der Quelle (dem Spiegel), den Strahl verbreitert und dadurch in die Länge zieht.
Im Interferometer ist jeder der verzögerten Lichtimpulse an die Reflexionsgesetze gebunden; der Einfallswinkel bestimmt den Reflexionswinkel. Erwartete Michelson den Strahl auf P', so sollte die Reflexion auf S2* erfolgen das aber konnte niemals stattfinden. Denn wollte das Photon den Spiegel überhaupt treffen (wenn es tatsächlich die Stelle S2* erreicht, ist der Spiegel inzwischen ja weitergewandert), so musste ein zusätzlicher Winkel vorgegeben werden. Mit anderen Worten: Im Schwimmerbeispiel ist nur einer der Punkte imaginär - entweder Start oder Ziel. Im Interferometer lautet die Strecke: Von dort, wo P war nach dort, wo S2* sein wird - beide Punkte sind imaginär! Weil zwischen den einzelnen Impulsen sozusagen ein zusätzliches Zeitintervall liegt! Das verbreitert den Strahl und verändert den Reflexionswinkel. Zusammen mit dem Verzögerungseffekt der Absorption und Re-Emission an den Spiegeln wird das Licht im senkrechten Arm des Interferometers etwas mehr verzögert, als die Galileiaddition dies erwarten ließe. Michelsons Experiment eignete sich jedoch gar nicht dazu, dieses "Zurückbleiben" des Lichts aufzuzeigen. Gibt man den Galilei-Winkel vor, um den Spiegel zu treffen, so hat man in Wahrheit diesen Winkel - ohne es zu ahnen - zweimal eingesetzt. Und nur unter dieser Bedingung wird der Spiegel tatsächlich getroffen. Bei der Rückkehr des Strahls ergibt sich dieser Winkel aufgrund der Reflexion automatisch doppelt. Die Strahlen können daher unmöglich auf P' zusammenkommen, aber sie tun es prompt im Teleskop, denn Michelson übersah ferner, dass sich noch eine zusätzliche Korrektur einschlich: der waagrechte Strahl wurde ja in die Senkrechte gespiegelt, um das Teleskop zu treffen. Für jene, die es wirklich so genau wissen wollen, zeigt die Abbildung II die Situation (natürlich stark überhöht) anhand der Impulslaufwege deutlich auf: Das Interferometer wird in drei Situationen dargestellt. Das gewählte Zeitintervall ist jene Zeit, die der waagrechte Strahl benötigt, um P wieder zu treffen. Nach Michelsons Erwartung und Berechnung sollte der waagrechte Strahl (A) folgendermaßen laufen: L-S1*-P'-T'. Der senkrechte Strahl (B): L-P-S2*-P'-T' . Schon auf der groben Skizze lässt sich das Verhältnis der Strecken herausmessen: gegenüber der Laufstrecke A von P bis T' ist die Strecke B von P bis T' etwas kürzer. Man sieht: B sollte früher im Teleskop ankommen (alle Strecken werden ja mit c durchflogen!). Das war Michelsons Erwartung: wie die zweite Skizze zeigt, überträgt sich diese Differenz genau von einem Arm auf den anderen, wenn man das Instrument um 90 Grad dreht. Die wahre Bahn des Lichts sieht aber anders aus: Strahl A bleibt vorerst bis P' gleich, jetzt aber zieht er nach T'' ! Strahl B kann den Spiegel nur auf S2' treffen und wird von dort nach T'' gelenkt. Nun ist die Bahn B (von P bis T'') gleich lang wie die Bahn A! |
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Da A noch eine Korrektur erfährt, lässt sich eine Differenz erwarten, die wesentlich kleiner als die von Michelson angenommene sein muss. Nach Drehung des Instruments erwartete Michelson die Bahnen wie folgt (er berücksichtigte als Start P); für B: L-P-S2*-P'-T'. Für A: L-P-S1*-P'-T' . In diesem Fall hätte nun B die längere Strecke, während sich die Strecke A etwas verkürzt. Diesen Unterschied hoffte Michelson im Teleskop zu sehen. Diese Hoffnung war falsch, denn die Strecken verlaufen in Wahrheit für B: L-P'-S2**-T" , und für A: L-S1'-P'*-T" ! Wieder sind beide Strecken P-T'' gleich lang! Im Teleskop konnte sich daher nicht viel verändern. Die Skizze übersteigert natürlich die Veränderungen am Spiegel P sehr. In Wahrheit sind die Winkel so winzig, dass eine derartige Veränderung (nämlich die Korrektur des Wellenzuges an P) kaum wahrzunehmen wäre. Erwähnt soll auch sein, dass Michelson den Lichtstrahl mehrmals hin und her spiegelte, um eine größere Armlänge zu erhalten, wodurch der verborgene Effekt sich sogar multiplizierte. Es tritt aufgrund des "Zurückbleibens" des Lichts und seiner unbeirrbaren Bahn beides ein: Relativ zum Interferometer hat der senkrechte Strahl die Geschwindigkeit nach Galilei, die tatsächlich durchmessene Strecke beträgt aber nicht (in unserem riesigen Gedankeninstrument) 300 000 km, sondern von P nach S2' , also: (l²+v²)1/2 Die Zeit des senkrechten Strahls ist daher mit guter Näherung zu errechnen mit
Die
tatsächlich auftretende Differenz beträgt daher nur etwa
Man beachte, dass auch nach der Drehung die Strahlen zeitlich in T'' ankommen, so dass die Drehung der zeitlichen Versetzung vollkommen entspricht. Da in allen Fällen die Strecken P-T'' für beide Strahlen praktisch gleiche Längen annehmen, war Michelson nicht nur der Nachweis des Äthers misslungen, sondern er konnte auch die relativ zur Erde absolute Ausbreitung des Lichts - daher die verschiedenen entgegengesetzten relativen Lichtgeschwindigkeiten - nicht aufzeigen. Viele Kritiker der Relativitätstheorie haben das Michelson-Morley-Experiment unter die Lupe genommen. Und es gibt viele unterschiedliche Erklärungen für das Missglücken des Versuchs; Paul Wesley will beispielsweise nachgewiesen haben, dass sich im Interferometer stehende Wellen bilden, die auf jeden Fall vom Labor mitgenommen werden (das ist allerdings nur mit kohärentem Laserlicht möglich, das Michelson noch nicht zur Verfügung hatte). Im Michelson-Interferometer bestimmte also nicht ein etwaiger tragender Äther die Lichtbahn, sondern erstens der Umstand, dass das Licht absolut3 fixiert bleibt, und zweitens, dass es die Reflexionsgesetze einhält, was man eigentlich erwarten sollte. Dazu müsste auch klar sein, dass sich der longitudinale Dopplereffekt aufhebt, wogegen sich der transversale Dopplereffekt im senkrechten Lichtweg vervielfacht (was die kürzeste Variante unserer Argumentation ist! Mehr dazu im Beitrag "Einsteins Spiegel"). Die Situationen am halbdurchlässigen Spiegel P sind zeichnerisch nicht exakt wiederzugeben, da die Reflexionszeiten von A und B natürlich nicht übereinstimmen. Wichtig ist, dass sich die Gesamtstrecken nicht verändern und der Spiegel S1' nach Drehung des Instruments selbstverständlich nur jenen Wellenzug reflektieren kann, der ihn auch erreicht. Wen die Vorgänge an Spiegel P ein wenig irritieren, da er weiß, dass hier der Strahl aufgespalten wird, der möge bedenken, dass es sich trotz Bündelung des Strahls um eine Wellenfront handelt, die durch die Schrägstellung des Spiegels ausreichend breit bleibt, um dem Licht so viel Streuung zu verleihen, dass die Selektion der entsprechenden Bahnen durch die Spiegel S1 und S2 möglich wird. Die auftretenden Doppier-Effekte werden durch die Spiegel, die jeweils entgegengesetzt arbeiten, sowie durch das bewegte Teleskop selbst ausgeglichen. In dieser Hinsicht ist also auch nichts zu holen. Versuche von der Art Michelsons wurden viele Male wiederholt, auch in verschiedensten Abwandlungen, 1964 erstmals mit Laserstrahlen, auch mit unterschiedlichen Armlängen und gekühlten Apparaturen (Kennedy-Thorndike-Experiment), mit Mikrowellen in Hohlraumresonatoren etc... Meist wurden die Frequenzen zweier Laserstrahlen, die senkrecht zueinander gerichtet sind, verglichen und die entstehende Differenz zwischen den Frequenzen (die Schwebungsfrequenz) aufgezeichnet. Auch hier zeigte sich (allerdings nicht ausnahmslos), dass keine Änderung der Frequenz bei Drehung der Versuchsanordnung erfolgte, was stets als neuerlicher, moderner Beweis für die SRT gefeiert wurde. Nun gilt die absolute Ausbreitung des Lichts im T.A.O. auch für viele anderen elektromagnetischen Vorgänge. Da beim Laser eine feste Beziehung zwischen den verursachenden und ausgesandten EM-Wellen besteht, die zudem senkrecht zueinander angeordnet sind, ist schon da heraus ein Differenzausgleich zu erwarten. Denn erfährt die verursachende Welle eine Verkürzung, so verlängert sich die ausgesandte. Die Arbeitsfrequenz eines Lasers bestimmt sich aber auch durch die Entfernung der beiden Spiegel an den Enden des Lasers. Dass ein Laser in Bewegung bei Gültigkeit der SRT zu einem Paradoxon führt, kann man hier nachlesen! Da die Strecke im senkrechten Laser aus den gleichen Reflexionsgründen wie im Original Michelson-Instrument gleich lang wird wie jene des waagrechten Lasers ist auch hier kein Resultat zu erwarten. In der Theorie der modernen Versuche spielen auch Faktoren mit, die bis zur genauen Berücksichtigung des Atomverhaltens reichen. Wir dürfen ja nicht vergessen, dass sich schließlich alle Materie aus elektrischen Feldern aufbaut und deren absolute Fixierung im T.A.O. vorliegt, von der erstens das merkwürdige Phänomen der trägen Masse ausgeht und zweitens eine Lorentz-Kontraktion (und zwar während Beschleunigungen) zu erwarten ist. Eine weitere Quelle für den Misserfolg des Versuchs könnte auch die Tatsache sein, dass die Impulse (EM-Wellen) in der T.A.O.- Matrix eine gewisse Trägheit haben, die Richtungskomponente einer Translationsbewegung daher teilweise mitbekommen. Eine ballistische Auffassung des Lichts hat sich dagegen experimentell nicht bestätigen lassen. Auch eine teilweise Mitnahme des Lichtes (unsere Luft hat zwar nur einen Brechungsindex sehr nahe an 1 - im Gegensatz zu Wasser mit Brechungsindex ca. 1,33 - und eine Mitnahme des Lichts ist daher mit unseren technischen Mitteln nur sehr schwer nachzuweisen). (Siehe dazu die Beiträge Sagnac-und Fizeau-, Marinov-, Arago- und Hoek-Experiment und Maxwell-Gleichungen.) Darüber hinaus muss man auch berücksichtigen, dass wir den wahren absoluten Bewegungszustand der Erde gar nicht kennen. Denn die aufgrund der Hierarchie der Kreisbewegungen (Erde um Sonne, Sonne um lokale Sterngruppe, diese um Galaxis, diese um lokalen Haufen, dieser um Superhaufen, dieser um Cluster ... Supercluster usw...) die sich auch gegenseitig aufheben, könnte der absolute Bewegungszustand wesentlich anders ausfallen als angenommen.3 Vorrichtungen wie das Michelson-Interferometer oder Hohlraumresonatoren (auch "optische Resonatoren") können daher weder über die Eigenschaften der Lichtausbreitung, noch über den Bewegungszustand der Erde oder Sein oder Nichtsein eines Äthers und dergleichen etwas aussagen4. Bestätigungen der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit können außerdem niemals eine Bestätigung der RT sein, weil es sich dabei nur um einen Zirkelschluss handelt. Denn die Richtigkeit einer Grundannahme kann über die Theorie selbst noch nichts aussagen. Aber die Unrichtigkeit dieser Prämisse würde die RT sofort falsifizieren... Hier eine Kurzversion der MM-Versuchs-Problematik, aus einem meiner Forumsbeiträge:
Link zur Originalarbeit Michelsons: The American Journal of Science, Nov. 1887, Nr. 203 - Seiten 334 ff. Sie haben eine Meinung dazu? Benutzen Sie bitte das Forum! Die Effekte der Speziellen Relativitätstheorie können Sie selbst hier berechnen! 1 Die Erde schwimmt durch einen Ozean von Strahlungsenergie, ein Muster von Wellenfronten, die über lange Zeiten ihre Richtungen zueinander beibehalten. Im Laufe eines Jahres oszilliert die Richtung des Musters als Ganzes. Bradleys Standpunkt, dass sich die Erde in einer Umlaufbahn durch dieses praktisch unveränderliche Muster von Lichtwellen bewegt, besticht nach wie vor. Die Alternative, das ganze Muster zusammen mit dem Sternenhimmel (ob fest damit verbunden oder mit konstanter Drift dazu, kann nicht entschieden werden) oszilliere im jährlichen Turnus, ist in dem Maße unwahrscheinlich, wie es mehr Sterne gibt als Beobachterplattformen, nämlich eine. Das Zeugnis zugunsten des Kopernikanischen Systems und gegen das Ptolemäische ist keine Frage der Metrik, sondern hat das Gewicht einer außergewöhnlich hohen Wahrscheinlichkeit. (Herbert Ives, 1937). 2 Die Geschwindigkeit ist keinesfalls unterschiedlich. Nur die Richtung im absoluten Äther wäre entgegengesetzt. Das spielt aber keine Rolle, da lokal am Interferometer dennoch stets dieselben Effekte auftreten. Es ist immer die gleiche Relativbewegung durch den Raum, das Licht bleibt im Sinne der T.A.O.-Matrix-Theorie stets hinter der Lichtquelle "hängen". Die Erwartung Michelsons, die Geschwindigkeit der Erde wäre nach Jahreszeit unterschiedlich (einmal mit und einmal gegen den Äther) wäre nur dann richtig, wenn der Äther selbst in Bewegung wäre (zB. aufgrund der Rotation der Galaxis). Dass auch modernste Michelson-Experimente mit Hohlraumresonatoren von dieser falschen Basis ausgehen und natürlich zu einem Nullresultat führen, ist unter folgendem Link ersichtlich: http://www.wissenschaft.de/wissen/news/150870.html . "Wissenschaftler der Universitäten Konstanz und Düsseldorf haben die spezielle Relativitätstheorie Albert Einsteins mit bisher unerreichter Genauigkeit getestet. Sie untersuchten dazu die Konstanz der Lichtgeschwindigkeit während des Umlaufs der Erde um die Sonne mittels stehender Wellen in einem Resonanzkörper..." 3 Die Eigenbewegung der Sonne richtet sich mit 20 km/s in Richtung des Herkules-Sternbildes, gleichzeitig bewegt sich das Schwerpunkt-System, zu dem die Sonne gehört, mit rund 220 km/sec um das Zentrum der Galaxis, die selbst wiederum mit rund 600 km/sec um das Zentrum der lokalen Gruppe fliegt. Wieweit diese Verschachtelung der Kreisbahnen geht, ist vollkommen unbekannt. Sogar die Annahme, dass der gesamte Kosmos (was immer man darunter verstehen will) rotiert, ist nicht von der Hand zu weisen. Alle diese Bewegungen mit verschiedensten Richtungen und Geschwindigkeiten macht unsere Erde mit! Welche tatsächliche Richtung und Bewegung gegenüber einem absoluten Bezugssystem (T.A.O.-Matrix, absoluter Äther etc.) übrig bleibt, ist höchstwahrscheinlich kaum zu berechnen. Astronomen, die uns alle diese Geschwindigkeiten mit größter Unbefangenheit mitteilen, gehen offenbar von einem "heimlichen" absoluten Bezugssystem aus - andernfalls wären alle diese Angaben völlig wertlos. 4 Die Drift, die gegenüber einem hypothetischen absoluten Äther aufgrund der Erdrotation (ca. 1666 km/h) entstünde, betrüge nur ca. 460 m/sec (am Äquator, je nach Breitengrad weniger). In Relation zur Sonnenumkreisung maximal rund 960 m/sec. Die angeblichen "Nullresultate" sämtlicher moderner Drift-Experimente liegen durchaus in dieser Größenordnung. 1978 wurde in Colorado eines der genauesten Ätherdriftexperimente durchgeführt (Brillet & Hall, Improved Laser Test of the Isotropy of Space, Phys. Rev. Lett. 42, S. 549-552, 1979). Das Experiment basiert darauf, dass die Wellenlänge eines Lasers in Bewegungsrichtung des Äthers um relativ 0.5 v2/c2 länger sein müsste als senkrecht dazu. Als Resultat wurde eine relative Wellenlängenänderung DL/L 1.5 ± 2.5 × 10^-15 ermittelt, was einer Ätherdrift mit v @ 16 m/s ± 20 m/s entspricht. Beim genauen Lesen des Berichts entdeckt man, dass eine noch viel stärkere Wellenlängenänderung gefunden wurde (DL/L @ 2 × 10^-13 --> v @ 190 m/s), die im Labor bei Drehung des Lasers in der Ebene um 360° zwei Maxima (in immer derselben Himmelsrichtung) und senkrecht dazu zwei Minima hat. Dieses 'persistent spurious signal' wurde ohne Kommentar herausgemittelt ... 5
Der Versuch im Juli 1887 in einem Kellerraum in Cleveland erbrachte einen Messwert, der einer
Drift von 8,8 km/s entsprach. Das lag so weit unter den Erwartungen, dass Michelson selbst aus Enttäuschung darüber von einem "Null-Ergebnis" sprach. Angesichts der Feststellungen im Beitrag Arago- und Hoek- u. Sagnac- und Fizeau-Experiment muss man sich eigentlich darüber wundern, dass die historischen Versuche keine Nullresultate erbrachten. Moderne Experimente liefern wesentlich geringere Werte. Der Grund hiefür findet sich in den genannten Beiträgen. Relativisten geben alle von Null abweichenden Werte ohnehin als "experimentelle Fehlergrenzen" aus. Eine diesbezügliche Literatur konnte allerdings nicht gefunden werden. Wir vertreten jedenfalls den Standpunkt, dass Messungen der Zweiweggeschwindigkeit und die Wechselwirkung des Lichts mit Materie vor und bei der Messung von vornherein ein positives Ergebnis verhindern. (Bitte auch die Beiträge "Konstanz und Isotropie des Lichts" und "Ungeeignete Drift-Experimente" beachten!) © 2004 by Edition Mahag; jede Art von Wiedergabe nur unter Quellenangabe gestattet. |
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