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Warten auf Einstein

Keine neuen Erkenntnisse mehr?

Im Rückblick erscheint sie vielen als die „Gute alte Zeit“: Die letzten beiden Jahrzehnte des 19. Jahrhunderts. Es war eine Zeit, in der von der theoretischen Physik eigentlich keine revolutionären neuen Erkenntnisse mehr zu erwarten waren. Sie befand sich quasi „in trockenen Tüchern“: Die Grundlagen der Mechanik waren von Newton und Leibniz bereits im 18. Jahrhundert gelegt worden und fanden ihre glänzendsten Bestätigungen am Himmel: Zum Beispiel war es 1899 kein Problem, die totale Sonnenfinsternis vom 11. August 1999 vorherzuberechnen. Auf die Sekunde genau!

Das Rätsel der elektrischen und magnetischen Kraft schien ebenfalls gelöst. Jahrelang hatte sich der Schotte James Clerk Maxwell (1831-1879) mit den Messungen seines englischen Kollegen Michael Faraday (1791-1867) zur elektromagnetischen Induktion auseinander gesetzt. 1861 fasste er die Ergebnisse in einem Gleichungssystem zusammen, das in seiner mathematischen Schönheit und Eleganz ohne Beispiel war. Die vier Maxwellschen Gleichungen beschreiben alles, was mit Strom, Spannung, Ladung und Magnetfeld zu tun hat. Sie enthalten sogar die Theorie der elektromagnetischen Wellen, die erst 19 Jahre nach Maxwells Tod von Heinrich Hertz (1857-1894) in Karlsruhe entdeckt werden. Welch ein Triumph für die Naturwissenschaften!

Damit war auch klar: In der Natur gibt es nur zwei grundverschiedene Kräfte: Die Gravitationskraft (siehe Newton) und die elektromagnetische Kraft (siehe Maxwell).

In diesen Jahren bewies die Erfindung der Glühlampe (1879), des Elektromotors (Drehstrom 1891), des Telefons und des Autos, dass die Ingenieure und Physiker die Natur verstanden hatten.

Doch dann wurden Entdeckungen gemacht, die nicht mehr in dieses schöne Bild passten:

  • 1879 - dem Geburtsjahr Einsteins - werden beim Experimentieren mit Hochspannung und evakuierten Röhren die „Kathodenstrahlen“ entdeckt. Während Einsteins Schulzeit stellt sich heraus, dass die Kathodenstrahlen nichts anderes sind als die elektrisch geladenen Elektronen. Die ersten Teilchenstrahlen sind gefunden
  • 1895 - Einstein hat gerade das Gymnasium verlassen - entdeckt Wilhelm Conrad Röntgen (1845-1923) die Röntgenstrahlung (die er selbst X-Strahlen nannte). Sie ist wesentlich energiereicher als UV-Strahlung und erlaubt ganz neue diagnostische Möglichkeiten in der Medizin
  • 1896 - Einstein besucht die Kantonsschule in Aarau, um die Studienzulassung in Zürich zu erreichen - entdeckt Antoine Henri Becquerel (1820-1891) die radioaktive Strahlung des Urans.

Diese drei Entdeckungen führen innerhalb von wenigen Jahren in das Reich der Atomphysik. Ein neues Portal der Physik wird sichtbar und der junge Einstein gehört zu denjenigen, die es öffnen.

Meister des Lichtes

Um die Wahrheit herauszubekommen, muss man die richtigen Fragen stellen. Die ergiebigste Frage, die Menschen in den letzten Jahrhunderten an die Natur gestellt haben, ist wahrscheinlich folgende: Was ist eigentlich Licht?

Albert Einstein steht am Ende einer Reihe von „Lichtforschern“. Und wie mancher seiner Vorgänger fand er Antworten auf Fragen, die er eigentlich gar nicht gestellt hatte. In der Antwort auf die scheinbar harmlose Frage „Kann man einen Lichtstrahl überholen?“ fand Einstein das Geheimnis der Struktur von Raum und Zeit. Doch vor diesem erfolgreichen Gedankenexperiment lagen 250 Jahre des Messens und Beobachtens.

Ole Rømer: Licht braucht Zeit

Galileo hatte die vier Jupitermonde im Jahr 1610 entdeckt. Wie ein kleines Planetensystem für sich umkreisen Io, Europa, Ganymed und Callisto den riesigen Gasplaneten. Ihre Umlaufzeiten sind so kurz (zwischen 1,8 und 16,7 Tagen), dass sich ihre Stellung am Himmel täglich ändert. Die uhrwerksartige Präzision ihrer Umläufe legte es nahe, Jupiter tatsächlich als Himmelsuhr zu verwenden. Die vier Monde sind die Zeiger, die sich besonders dann genau ablesen lassen, wenn sie gerade hinter dem Jupiter verschwinden oder hervorkommen. Dabei spielt Io, der innerste und schnellste Mond, die Rolle des Sekundenzeigers, der am genauesten abzulesen ist. Doch die Beobachtungen zeigten, dass diese Himmelsuhr ungenau ging: Manchmal kam Io früher als berechnet hinter Jupiter hervor, manchmal kam er später. Der Unterschied konnte viele Minuten betragen und hing seltsamerweise von der Jahreszeit ab. Was hatte die Jahreszeit auf der Erde mit dem Jupitermond Io zu tun?

Es war der damals 31jährige dänische Astronom Ole Rømer (1644-1710), der 1675 das Rätsel löste. Alles war erklärbar, wenn man annahm, dass das Licht eine gewisse Zeit braucht, um die Entfernung vom Jupiter zur Erde zurückzulegen. Diese Entfernung schwankt wegen der Bewegung der Erde auf ihrer Bahn. Also braucht das Licht zu gewissen Zeiten länger und das Signal vom Jupitermond verspätet sich. Die Lichtgeschwindigkeit ist also nicht unendlich groß, wie die meisten seiner Zeitgenossen annahmen. Rømer konnte sogar einen Zahlenwert für die Lichtgeschwindigkeit ermitteln. Sein Wert von 231.500 km/s lag gar nicht so weit weg vom heutigen offiziellen Wert von 299.792 km/s. Obwohl viele Zeitgenossen Rømers nach wie vor an eine unendlich schnelle Ausbreitung des Lichtes glauben wollten, war damit das Fundament gelegt, auf dem Einstein weiter baute:

Die Lichtgeschwindigkeit ist zwar weit größer als alle Geschwindigkeiten, die wir in unserer alltäglichen Erfahrung spüren können, aber sie hat einen endlichen, messbaren Wert!

Newton – Huygens: Streit der Meister

Es ist schwer, sich mit einem Genie anzulegen. Ende des 17. Jahrhunderts ist Isaac Newton (1643-1727) der Platzhirsch im Rudel der Physiker. Er ist der Meister. Auf allen wesentlichen Gebieten der Mathematik und Physik hat er seine Spuren hinterlassen. An oberster Stelle stehen seine „Mathematischen Prinzipien der Naturlehre“, in denen er 1687 sein Gravitationsgesetz mit den Bewegungsgleichungen der Mechanik verband und damit die Berechnung der Planetenbahnen ermöglichte. Aber auch auf dem Gebiet des Lichtes sah er sich als Meister. Er hatte die Brechung des Lichtes entdeckt und die Farben untersucht, die an hauchdünnen Glasplättchen (Newtonsche Ringe) oder Ölfilmen auf Wasser zu beobachten sind.

Für ihn war klar: Das Licht besteht aus kleinsten Teilchen (Korpuskeln), die sich geradlinig ausbreiten. Diese Lichtteilchen werden an und in der Materie auf unterschiedliche Weise reflektiert, bzw. abgebremst oder beschleunigt und rufen so die Erscheinungen der Optik hervor. Eine Welle kann Licht nicht sein, denn dann dürfte es keine scharfen Schatten geben. Schall ist eine Welle, Licht nicht: Man kann um die Ecke hören, aber nicht um die Ecke sehen!

Christian Huygens (1629-1695) sah das anders: Gerade in den bunten „Newtonschen Ringen“, die die Linsenschleifer zum Testen verwenden, sah er das Ergebnis von Interferenz, d. h. die Auslöschung oder Verstärkung, die sich ergibt, wenn man Wellen überlagert. Für Huygens ist das Licht eine Welle. Seine Theorie kann die Beobachtungen besser erklären. Und den Schatten kann er auch erklären, wenn die Wellenlänge des Lichtes nur klein genug ist ...

Aber wenn Licht eine Welle ist, was „wellt“ sich denn dann? Wasserwellen brauchen Wasser, um sich auszubreiten, Schallwellen brauchen die Luft. Aber in welchem Medium breitet sich Huygens Lichtwelle aus? Huygens postuliert den „Lichtäther“. Dieser Äther durchdringt nach Huygens Meinung den Raum und alle lichtdurchlässigen Stoffe. Er ist elastisch wie ein Festkörper, so dass er der Träger der Lichtwellen ist. Mit der Erfindung des Äthers rundet Huygens seine Theorie ab. Es wird zweihundert Jahre dauern und das Genie Albert Einsteins erfordern, um diesen Äther wieder loszuwerden ...

Aber Huygens kommt gegen die Autorität von nicht Newton an und es gelingt ihm nicht, die Mehrheit der Physiker zu überzeugen. Für die nächsten hundert Jahre bleibt Newtons Korpuskulartheorie unangetastet.

Der Weg zu Michelson und Morley

Huygens später Triumph

Das 19. Jahrhundert hatte Christian Huygens einen späten Triumph gebracht: Die Wellentheorie des Lichtes war notwendig, um wesentliche Eigenschaften des Lichtes zu erklären.

Zum Beispiel Beugung:

Licht fällt durch einen schmalen Spalt auf eine Mattscheibe. Wenn der Spalt schmal genug ist, beobachtet man auf der Mattscheibe helle und dunkle Streifen.

Zum Beispiel Interferenz:

Licht, das mehrfach zwischen zwei Spiegeln hin- und herreflektiert wird, kann ausgelöscht oder verstärkt werden.

Diese Eigenschaften sind nur erklärbar, wenn das Licht eine Welle ist, und zwar eine transversale Welle, die senkrecht zu ihrer Bewegungsrichtung schwingt. In der Maxwellschen Theorie können elektromagnetische Wellen entstehen, die genau diese Eigenschaften haben. Als Heinrich Hertz (1857-1894) in seinem Labor in Karlsruhe 1886 solche Wellen entdeckt hatte, war ihm bald klar, dass auch das Licht eine elektromagenetische Welle ist. Es gibt ein elektromagnetisches Spektrum von Radiostrahlung über Wärmestrahlung, Licht, UV-Strahlung, Röntgenstrahlung bis zur Gamma-Strahlung. Licht ist nur deshalb für uns ein Spezialfall, weil unsere Augen nur in diesem Frequenzbereich empfindlich sind.

Damit schien die Wellentheorie von Huygens endlich durch eine handfeste physikalische Theorie untermauert und die Teilchentheorie des Lichtes von Newton schien widerlegt

Sterne in Aspik

Sowohl Beugung als auch Interferenz treten nur bei Wellen auf. Deshalb mussten die Physiker des 19. Jahrhunderts bei der Anwendung der Wellentheorie des Lichtes auch die bereits von Huygens eingeführte „Kröte“ schlucken: den Äther als Fortpflanzungsmedium des Lichtes.

Obwohl nie ein Chemiker den Äther untersucht hatte (nicht zu verwechseln mit dem leicht flüchtigen organischen Lösungsmittel) konnte man dem Äther einige Eigenschaften zuordnen, die er logischerweise haben musste, damit sich die Lichtwelle in ihm fortpflanzen konnte:

  • Der Äther ist überall, er erfüllt den ganzen Raum, sonst könnte das Licht der Sterne uns nicht erreichen.
  • Der Äther erfüllt aber auch feste Stoffe, sonst könnte das Licht nicht durch Glas scheinen.
  • Die Dichte der Luft musste mindesten 100 Milliarden mal größer sein als die des Äthers.
  • Trotzdem musste der Äther Eigenschaften wie ein Festkörper (und nicht wie ein Gas) haben, damit sich transversale Wellen in ihm fortpflanzen können.

Irgendwie ähnelte dieser Äther einer gallertartigen Masse, so dass man sich den Weltraum als eine Art Aspik vorstellen musste, in dem Sonne, Mond und Sterne eingebettet waren. Eine höchst seltsame Vorstellung ...

Die Erde darf nicht der Nabel der Welt sein

Die entscheidende Frage, die sich im Zusammenhang mit dem Äther stellt ist folgende: Bewegt sich der Äther relativ zur Erde oder nicht? Die plausible Antwort ist: ja. Wenn sich nämlich der Äther nicht relativ zur Erde bewegen würde, dann würde er sich relativ zu allen anderen Himmelskörpern bewegen und die Erde hätte eine vor allen anderen Himmelskörpern ausgezeichnete Position: Wir wären der Nabel der Welt. Das aber ist seit Kopernikus politisch höchst unkorrekt. Kopernikus hatte die Erde aus dem Mittelpunkt des Universums gerückt indem er nachwies, dass sich die Erde um die Sonne bewegt und nicht umgekehrt. Seitdem war es klar, dass eine Physik, die der Erde eine Sonderstellung einräumt, zu falschen Ergebnissen führt. Also müsste sich die Erde durch den Äther bewegen, bzw. der Äther an der Erde vorbeifließen.

Mit dem Strom oder gegen ihn?

Man stelle sich ein Rennen zwischen zwei Schwimmern vor, die beide gleich schnell schwimmen können. Rennstrecke sei ein Fluss. Schwimmer 1 soll bis zum gegenüberliegenden Ufer und dann wieder zurück schwimmen. Schwimmer 2 schwimmt parallel zum Ufer die gleiche Strecke: einmal mit der Strömung hin und gegen die Strömung zurück. Welcher der beiden ist zuerst wieder am Ausgangspunkt?

Eine kleine geometrische Überlegung führt zum Ergebnis: Der Schwimmer, der quer zur Strömung zum anderen Ufer geschwommen war, ist der Schnellere. Je stärker die Strömung des Flusses desto größer ist der Zeitvorteil des „Querschwimmers“.

Eine ähnliche Überlegung führen Albert Abraham Michelson (1852-1931) und Edward Williams Morley (1838-1923) zu einem bahnbrechenden Experiment, das sie 1887 in Cleveland/Ohio durchführten: Das Michelson-Morley-Experiment.

Die Rolle der Schwimmer übernehmen zwei Lichtstrahlen, der Fluss entspricht natürlich dem Äther und die Strecken werden durch Spiegel begrenzt.

Ein Strahlteiler teilt einen Lichtstrahl in zwei Teilstrahlen auf, die sich nach dem Strahlteiler in zwei Richtungen, die senkrecht aufeinander stehen, ausbreiten. Am Ende ihres Weges werden beide Lichtstrahlen von Spiegeln zurückreflektiert und wieder vereinigt.

Dieser Aufbau wird Michelson-Interferometer genannt. Wenn es nämlich auch nur zu einem kleinen Unterschied in der Laufzeit beider Strahlen kommt, bilden sich im Empfänger helle und dunkle Interferenzstreifen.

Das Experiment erfordert äußerste Sorgfalt. Um Erschütterungen zu vermeiden, wurde sogar der Straßenverkehr in Cleveland rund um das Western Reserve College gesperrt. Das Experiment wurde immer wieder wiederholt, denn erst im Laufe eines Jahres hat die Erde auf ihrem Weg um die Sonne alle möglichen Bewegungsrichtungen gehabt.

Die sorgfältige Analyse der Ergebnisse lieferte das lang erwartete Ergebnis: Nichts.

Michelson und Morley fanden keine Interferenzstreifen, die darauf hingewiesen hätten, dass sich das Licht in einer Richtung schneller als in einer anderen fortgepflanzt hätte. Kein Hinweis auf einen Äther also. Trotzdem waren Michelson und Morley selbst nicht ganz von ihren Ergebnissen überzeugt. Vielleicht war ihre Messmethode doch nicht genau genug. Sie waren noch nicht mutig genug, die Äthertheorie über Bord zu werfen. Noch wartete die Welt auf einen Albert Einstein.

Dirk Soltau
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