Weshalb Experimente vom Typ Michelson-Morley nicht geeignet sind, eine eventuelle Bewegung gegen den "Äther" oder eine andere absolute Struktur aufzuzeigen!

Es ist noch nicht zu spät, sowohl die klassischen als auch die modernen Versuche zu kritisieren...

Dieser Fehler genügt eigentlich schon, um die MM-Experimente grundsätzlich in Frage zu stellen. Aber es gibt noch einen weiteren triftigen Grund, der aus der Verwendung von Spiegeln und Gläsern kommt (wobei wir auf allfälliges Remissions-Verhalten der Photonen gar nicht eingehen müssen). Wir sehen uns zunächst das folgende Bild an, das wir der Originalarbeit Michelsons entnommen haben, um die Situation der Lichtstrecken einzuzeichnen:

Aus der Lichtquelle (1) geht der Strahl zum Sp 1, hier wird er aufgespalten. Ein Strahl geht zu Spiegel (2) und wird (nach mehrmaliger Hin-und Herspiegelung) in das Teleskop (Interferometer) (3) geschickt. Der Strahlteiler Sp 1 besteht aus 1,25 cm dickem, auf einer Seite halbverspiegeltem Glas. In Glas mit einer Brechzahl von 1,5 = 3/2 hat das Licht genau 2/3 der Vakuumlichtgeschwindigkeit, also "nur" etwa 200.000 km/s. Der Strahl muss zuerst durch das Glas zur Spiegelbeschichtung und von dort abermals durch das Glas zu Spiegel (2) und auf dem Rückweg wiederum durch das Glas. Michelson setzte daher ein zweites Glas mit derselben Stärke zur Korrektur ein, um diese Verzögerung für beide Strecken gleich zu halten (Glas 1,25 cm). Denn der aufgespaltene Strahl geht durch den Strahlteiler nach (4), kommt nach Mehrfachspiegelung zurück zum Strahlteiler und wird von hier ins Teleskop gelenkt. Durch das Korrekturglas musste jeder Strahl insgesamt 3 mal durch Glas von der Stärke 1,25 cm, insgesamt also durch 3,75 cm, und Michelson glaubte, dass mit dem Korrekturglas die Strecken bzw. Laufzeiten gleich lang blieben, bzw. die Verzögerungen durch das Glas für beide Strahlen dasselbe Ausmaß hatten. Dabei wurde aber übersehen, dass der jeweils senkrechte Strahl nicht nur zeitverzögert, sondern aufgrund dieser Verzögerung auch seitlich versetzt wird, weil sich der Spiegel ja weiter bewegt, wogegen der in der Bewegungsrichtung liegende Strahl nur dem Mitnahmeeffekt (Fresnelscher Mitnahmekoeffizient!) ausgesetzt wird! Und dass dadurch just wiederum jene Strecke zusätzlich verlängert wird, die ohnehin durch die vorhin genannten Gründe den theoretisch erwarteten Vorsprung des Photons gar nicht bewirkt.

Michelson verwendete zur Mehrfachspiegelung polierte Metallspiegel, die im Glas mitgeführten Lichtstrecken betrugen daher insgesamt nur 3,75 cm und die durch die Brechzahl verursachte Verzögerung liegt in der Größenordnung von Pikosekunden. Statt der erwarteten 30 km/s erzielte Michelson ein Ergebnis von etwa 8,8 km/s - aber die erkennbare Abhängigkeit von der Erdrotation (siehe den Kurvenverlauf rechts unten im Bild) zeigt auf, dass es kein "Nullergebnis" sein konnte, sondern das Ergebnis offenbar durch Fehlerquellen verfälscht wurde.

Clayton Miller setzte für die Mehrfachspiegelung keine metallischen, sondern 8 gläserne Spiegel ein, die an der Hinterseite versilbert waren. Im Verlauf nur einer Richtung musste der Lichtstrahl 15 mal das Glas durchqueren, das ergab bei der Spiegelstärke von etwa 6 bis 7 mm einen Lichtweg inerhalb von Glas von ca. 100 mm!

Die Zeitverzögerung im Glas und der seitliche Versatz des Strahls wirken sich auf die Gesamtzeiten nur sehr geringfügig aus.² Im Bild links wird die Mitführung gezeigt und nocheinmal die übliche Berechnung der Zeiten; durch Division kommt man unmittelbar auf den Lorentzfaktor √ (1-v²/c²).

Die positiven, aber geringeren Ergebnisse bei Michelson (8,8 km/s) und Miller (11,2 km/s) sollte man eher auf die Mitführung des Lichts durch das Glas zurückführen (bei Miller war mehr Glas im Spiel, daher der höhere Wert). Man muss aber berücksichtigen, dass die Versuchstheorie in beiden Fällen von vornherein schon deshalb falsch war, wenn man von der Erdgeschwindigkeit = 30 km/s ausging - denn die Geschwindigkeit in Bezug zum Absolutäther oder zur Matrix ist wesentlich höher. Jedenfalls müsste man von einer Geschwindigkeit von 369 km/s in Bezug zum Kosmischen Mikrowellen-Hintergrund (CMB) ausgehen.

Selbstverständlich war dann auch die Ausrichtung der Apparate unpassend, da diese 369 km/s nicht die Bewegung um die Sonne, sondern eine absolute Bewegung des gesamten Planetensystems betreffen. Der sinusförmige Verlauf der Messwerte entstammt bloß aus der Erdrotation, die als ebenfalls absolute Bewegung gegen den Hintergrund verläuft und das Ergebnis beeinflusste. Und das Ergebnis selbst sollte eigentlich nahezu Null sein - wenn man erkennt, dass diese Versuche schon aus den ersten beiden Gründen eine Absolutbewegung gegen irgendeinen Äther gar nicht aufzeigen können, weil der Lorentzfaktor durch Verlängerung der Laufzeit wegen der limitierten Geschwindigkeit und des vergrößerten Winkels schon aufgehoben wird. Man könnte sinngemäß behaupten, nicht in der Bewegungsrichtung durch Verkürzung der Lichtstrecke sondern im senkrechten Arm durch Verlängerung desselben um den Lorentzfaktor hätte sich das unerwartet geringe Resultat ergeben.
Die Differenz durch diese Streckenveränderung ist bewegungs- und geschwindigkeitsabhängig, die Brechzahl der verwendeten Gläser aber nicht. Ein feststellbarer Effekt müsste daher aus der jeweils unterschiedlichen Strecke im Glas bzw. dem Versatz im jeweils senkrechten Arm resultieren. Damit würde der Lorentzfaktor um den Wert der Brechzahl (n) zu korrigieren sein, also nicht √(1-v²/c²) sondern √(1-(v²/c²)/n²). Mathematisch ergäbe sich die Relation der Veränderung der Lichtstrecke (l) aufgrund der Hemmung im Glas zu der Verschiebung der Interferenzstreifen (k) mit

wobei der Winkel φ die Ausrichtung der Apparatarme zur Richtung der vermutlichen Erdbewegung wäre. Clayton Miller erzielte einen Wert von k mit ca. 0,05; die Brechzahl für Glas beträgt 1,5, die Wellenlänge λ des eingesetzten Lichts 5700 Ä, daraus ergibt sich eine Geschwindigkeit von etwa 175 km/s. Die Werte des Michelson Apparats mit derselben Formel gerechnet ergeben eine Geschwindigkeit von ca. 120 km/s. Diese Werte liegen weit über den erwarteten 30 km/s, aber auch unterhalb von 369 km/s, was darauf zurück zu führen wäre, dass die Ausrichtung der Apparate nicht mit der Bewegungsrichtung der Erde übereinstimmte (was im Falle Clayton Millers Versuch auf dem Mout Wilson am 34. Breitengrad auch so zu erwarten war).³

Man hat viele Deutungen erfunden, um die Ergebnisse Michelsons und speziell jene Millers als Fehlergrenze (Systemfehler) oder Schwankungen durch Temperatureinflüsse etc. zurückzuführen. Immerhin betrug Millers Ergebnis mit 10 km/s bereits ein Drittel des erwarteten Wertes. Nach obiger Rechnung unter der Prämisse der Mitführung im Glas sind es aber 175 km/s - das könnte ein Teil jener Geschwindigkeit sein, mit welcher sich die Erde gegen den CMB (od. Äther bzw. Matrix) in Richtung des Sternbildes Löwe hat (a = 13 ± 2 ^h und d = (30 ± 30)°) bewegt.

In modernen Michelson-Versuchen werden meist die Frequenzen zweier Laserstrahlen, die senkrecht zueinander gerichtet sind, verglichen und die entstehende Differenz zwischen den Frequenzen (die Schwebungsfrequenz) aufgezeichnet. Oder man vergleicht die Frequenzen von Mikrowellen in zueinander rechtwinkelig angeordneten Hohlraum-Resonatoren.

Diese Resonatoren sind meist geradezu winzig (im obigen Bild jeweils 2,5 cm lang!). Sie werden auf minus 269 Grad Celsius abgekühlt, um störende Materialänderungen zu vermeiden. Gemessen werden die Laufzeiten von 2 Lichtstrahlen, die etwa 100.000 Mal zwischen den zwei Saphir-Spiegeln eines Resonators hin- und herreflektiert werden. Dabei wird die Frequenz des Lasers exakt so eingerichtet, dass zwischen jeweils zwei Spiegeln eine ganze Zahl von Wellenlängen passt und sich demnach eine stehende Welle bildet. Schwankungen im Vergleich der beiden Resonatoren sind daher von vornherein ausgeschlossen. Außerdem wurde der ganze Apparat in schnelle Rotation versetzt. Diese Drehbewegungen stören die Messungen zwar erheblich, sind aber deshalb unvermeidbar, weil ein statischer Versuch über die lange Periode von 12 Stunden bereits zu einem alterungsbedingten Schrumpfen der hochempfindlichen Resonatoren führen würde. Aufgrund der kurzen Versuchsperiode erwartete man ohnehin nur Schwankungen der Messwerte aufgrund der Erdrotation (z.B. 330 m/s am Breitengrad von Berlin), aber auch höhere Geschwindigkeiten könnten niemals mit dem Vergleich der senkrecht zueinander angeordneten Resonatoren ermittelt werden, denn der Versuch ist nicht nur mit ganz denselben Fehlern behaftet wie der Original-Michelson-Versuch, sondern hier liegen auch zweifelsfrei stehende Wellen vor - und dass damit nichts zu holen ist, hat uns der Physiker Paul Wesley bereits vorgerechnet.

Im Bild rechts werden die einzelnen Bewegungen der Erde gezeigt. Relativ zum CMB (Kosmischer Mikrowellen Hintergrund) bewegt sich das Sonnensystem mit 369 km/s, die Erde selbst bewegt sich dabei mit 30 km/s um die Sonne. Zusätzlich muss die Bewegung aus der Erdrotation von ungefähr 460 m/s (Äquator) berücksichtigt werden. Wegen der elliptischen Bahn durchläuft die Erde auch ein unterschiedliches Gravitationspotential zwischen dem Aphel (4.Juli) und dem Perihel (4.Jänner) von ca. ΔU/c² = 3.4 *10^-10.

Alle klassischen und modernen MM-Versuche sind Zweiwegmessungen. Michelson selbst war sich deshalb der Fragwürdigkeit seines Unterfangens bewusst. Er schreibt in seiner Originalarbeit auf Seite 344, 2. Absatz:

"If it were possible to measure with sufficient accuracy the velocity of light without returning the ray to its starting point, the problem of measuring the first power of the relative velocity of the earth with respect to the ether would be solved. This may not be as hopeless as might appear at first sight, since the difficulties are entirely mechanical and may possibly be surmounted in the course of time."
Deutsch: "Wenn es möglich wäre, mit genügender Genauigkeit die Geschwindigkeit des Lichtes zu messen, ohne den Strahl zu seinem Ausgangspunkt zurückzubringen, würde das Problem des Messens der relativen Geschwindigkeit der Erde (in 1. Ordnung) in Bezug auf den Äther gelöst. Dies dürfte möglicherweise nicht so hoffnungslos sein, wie dies auf den ersten Blick erscheint, da die Schwierigkeiten ausschließlich mechanischer Natur sind, die im Laufe der Zeit vielleicht bewältigt werden können."

Alle MM-Versuche oder ähnlich aufgebaute Driftexperimente können übrigens Emissionstheorien (Walter Ritz) oder Äther-Mitnahmetheorien (George Gabriel Stokes) nicht widerlegen. Sie sind auch als Beweis für die Nichtsexistenz des Äthers oder einer anderen universellen Struktur gar nicht verwendbar und können daher weder eine der Grundannahmen der SRT, die bezugssystemunabhängige Konstanz der Lichtgeschwindigkeit noch die SRT selbst bestätigen und schon gar nicht "beweisen" (weil zwischen Lichtquelle und Empfänger noch nie eine Relativbewegung vorlag).

Weitere Aufsätze zum Thema:

Der Michelson-Morley-Versuch, Die Ursache für die Konstanz und Isotropie der Lichtausbreitung, Das Fixed-Space-Delay-Modell, Experimentelle Grundlagen der SRT?

Link zum Thema: Tests of Special Relativity

Link zur Anisotropie-Messung des Lichts von DeWitt: EXPERIMENT 4 , POSITIVE RESULT, (performed 20/08/99).

1 Die Spiegel in Michelsons Apparat hatten einen Durchmesser von 5 cm. Sie konnten zwar getroffen werden, aber nicht an den mathematisch exakten Stellen. Die geringe Änderung der Neigung des Strahlteilers wäre nicht wahrnehmbar, sie ergibt sich automatisch durch die Fokussierung des Lichtstrahls. Wie im Aufsatz "Die Ursache für die Konstanz und Isotropie der Lichtausbreitung" angeführt, könnte es auch sein, dass eine durch den bewegten Spiegel veränderte Reflexion der Lichtstrahl auf die verlängerte Strecke geschickt wird, ohne dass eine Nachjustierung des Spiegels nötig ist. Ob eine Bewegung des Spiegels Einfluss auf den Reflexionswinkel nimmt, ist m.E. noch nicht ausreichend experimentell untersucht.

2 Ob die Reflexion an Glasspiegeln überhaupt instantan erfolgt oder etwas Zeit beansprucht, ist noch nicht ausreichend erforscht. Die Quantenphsysik sagt jedenfalls eine Reflexionsverzögerung aufgrund der Energierelaxationszeit voraus! Auf diesem Gebiet stehen jedenfalls noch einige Überraschungen bevor. Lange Zeit dachte man, die Totalreflexion in einem Glasprisma erfolge instantan; neuere experimentelle Ergebnisse zeigten aber Zeitverzögerungen auf, die niemand für möglich gehalten hätte. Auch wenn in den MM-Versuchen Prismen eher nicht eingesetzt werden, sollte man jedenfalls die Reflexionen an rückseitig verspiegelten Gläsern genauer untersuchen. Mehr davon hier >>>

3 Diese Argumentation, allerdings zum Zweck des Nachweises der Längenkontraktion im Sinne von Lorentz, stammt samt Formel von Dipl. Ing. Jan Giese ("Wissenschaft ohne Dogma", 1957, Heft 4, Seite 34: "Über die Möglichkeit positiver Ergebnisse mit dem Michelson-Versuch"). Unter Verwendung des Mitführungseffektes durch div. Materialien, vorwiegend Glas, hat Ing. Giese selbst Apparate gebaut und Versuche durchgeführt und dabei auch positive Resultate erzielt ("Wissen im Werden", 1959, Heft 3, Seite 116; siehe auch K.Sapper: "Kritik und Fortbildung der RT", 1958, Seite 92). Die aufgrund der von Ing. Giese erzielten Messwerte errechnete Geschwindigkeit der Erde lag bei etwa 200 bis 220 km/s. Da der CMB und die Absolutgechwindigkeit gegen diesen noch nicht bekannt war, führte Ing. Giese diesen hohen Wert auf die Umlaufgeschwindigkeit des Sonnensystems um das Zentrum der Milchstraße zurück, die damals gerade mit etwa 270 km/s errechnet worden war. Die nicht SRT-konsistenten experimentellen Ergebnisse von Ing. Giese wurden ebenso wie viele andere, wie z.B. jene des Inders Sharad Tipnis von der scientific community üblicherweise totgeschwiegen. Neuere Resultate siehe DeWitt.

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