Michelson-Morley-Experiment

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Wenn elektromagnetische Wellen an einen ruhenden Äther gebunden wären, müsste man die Eigenbewegung von Erde und Sonne als Ätherwind messen können.

Das Michelson-Morley-Experiment war ein physikalisches Experiment, das von dem deutsch-amerikanischen Physiker Albert A. Michelson 1881 in Potsdam und in verfeinerter Form von ihm und dem amerikanischen Chemiker Edward W. Morley 1887 in Cleveland im US-Bundesstaat Ohio durchgeführt wurde. [1] [2]

Das Michelson-Morley-Experiment hatte zum Ziel, die Geschwindigkeit der Erde relativ zum Lichtäther auf ihrer Bahn um die Sonne nachzuweisen, oder anders ausgedrückt, die Geschwindigkeit des Äthers relativ zur Erde („Ätherwind“). Beim Lichtäther handelte es sich um ein hypothetisches Medium, in dem sich Lichtwellen analog zu Wasserwellen und Schallwellen ausbreiten sollten. Das Experiment ergab eine obere Grenze für diese Relativgeschwindigkeit von 5-8 km/s, was zeigte, dass die „Bewegung gegen den Äther“ keinen Einfluss auf die Geschwindigkeit des Lichts hatte, denn dieser Wert war zu klein, um mit dem gesuchten „Ätherwind“ in Verbindung gebracht zu werden. Das Michelson-Morley-Experiment zusammen mit anderen Experimenten wie dem Fizeau-Experiment oder dem Trouton-Noble-Experiment zeigte in aller Deutlichkeit die Probleme der Ätherphysik des 19. Jahrhunderts auf. Diese Problematik konnte erst durch die Spezielle Relativitätstheorie gelöst werden, in der auf ein bevorzugtes Bezugssystem wie den Äther verzichtet wird. Deswegen gilt es als eines der bedeutendsten Experimente in der Geschichte der Physik – ein „Experimentum Crucis“.[3][4]

Seitdem wurde das Experiment mit unterschiedlichen Techniken und beträchtlich erhöhter Genauigkeit wiederholt. Dabei wurden im Rahmen der Messgenauigkeit Nullresultate erzielt und somit die Folgerungen aus dem ursprünglichen Experiment bestätigt. So konnten relative Abweichungen der Lichtgeschwindigkeit vom Wert der Lichtgeschwindigkeitskonstante in der Größenordnung von 10−17 ausgeschlossen werden.[5][6] Für weitere Experimente vgl. Tests der speziellen Relativitätstheorie.

Überblick[Bearbeiten]

Um die Relativgeschwindigkeit von Erde und Äther festzustellen, wurde ein Lichtstrahl über einen halbdurchlässigen Spiegel auf zwei verschiedene Wege getrennt, reflektiert und am Ende wieder zusammengeführt, sodass sich ein Interferenzmuster stehender Lichtwellen bildete (Michelson-Interferometer). Aufgrund der Bewegung der Erde im Äther ergibt sich, dass der Lichtstrahl in Bewegungsrichtung etwas länger benötigt als der Strahl senkrecht dazu. Da sich der Apparat als Teil der Drehung der Erde um die Sonne relativ zum vermuteten Äther bewegte, erwartete man Verschiebungen der Interferenzstreifen, wenn der Apparat gedreht würde. Albert A. Michelson führte das Experiment, das wegen der im Verhältnis zur Lichtgeschwindigkeit c geringen Bahngeschwindigkeit v der Erde nicht einfach war, zuerst 1881 durch, jedoch war hier die Genauigkeit nicht ausreichend, denn Michelson hatte in seinen Berechnungen die Veränderung des Lichtweges senkrecht zur Bewegungsrichtung nicht einbezogen. 1887 wiederholten er und Edward W. Morley das Experiment mit ausreichender Genauigkeit. Obwohl das Ergebnis nicht vollständig negativ war (zwischen 5-8 km/s), war es laut Michelson und den anderen Physikern jener Zeit viel zu gering, um etwas mit dem erwarteten Ätherwind zu tun zu haben. Die Geringfügigkeit von Michelsons Resultat tritt noch klarer hervor, wenn nicht nur die Relativgeschwindigkeit der Erde zur Sonne von 30 km/s berücksichtigt wird, sondern auch die Rotationsgeschwindigkeit des Sonnensystems um das galaktische Zentrum von ca. 220 km/s und die Relativgeschwindigkeit zwischen dem Sonnensystem und dem Ruhesystem der kosmischen Hintergrundstrahlung von ca. 377 km/s. Darüber hinaus haben spätere, bis in die heutige Zeit durchgeführte Messungen die ursprüngliche Methode Michelsons weiter verfeinert und lieferten tatsächlich im Rahmen der Messgenauigkeit vollständige Nullresultate.

George Francis FitzGerald (1889) und Hendrik Antoon Lorentz (1892) lieferten mit der Lorentzkontraktion zunächst eine Ad-hoc-Erklärung, wobei angenommen wurde, dass der Interferometer in Bewegungsrichtung relativ zum Äther schrumpft, wodurch die unterschiedlichen Lichtlaufzeiten angeglichen werden. Später erfolgte die Entwicklung der Lorentz-Transformation, die auch die Veränderung der Zeitabläufe bewegter Körper, die Zeitdilatation, enthält. Die darauf aufbauende lorentzsche Äthertheorie wurde allerdings als sehr unwahrscheinlich eingestuft, da hier der Äther einerseits Grundlage aller physikalischen Phänomene, andererseits jedoch gänzlich unentdeckbar sein soll. Vollends verstanden wurde das Ergebnis des Michelson-Morley-Experiment erst durch Albert Einsteins Spezielle Relativitätstheorie von 1905, die auch eine Längenkontraktion enthält, jedoch auf die Ätherhypothese verzichtet und als zentrale Postulate das Relativitätsprinzip und die Konstanz der Lichtgeschwindigkeit in mit beliebiger Geschwindigkeit gegeneinander bewegten Bezugssystemen enthält.

Das Michelson-Morley-Experiment stellt nun einerseits die wohl wichtigste Bestätigung des Relativitätsprinzips dar, wonach die physikalischen Naturgesetze für alle gleichförmig bewegten Beobachter identisch sind. Es zeigt nämlich, dass die Lichtgeschwindigkeit unabhängig von der Orientierung relativ zu einem bevorzugten Bezugssystem wie dem Äther ist. Doch es stellt für sich genommen keinen direkten Beweis für die universelle Konstanz der Lichtgeschwindigkeit dar, wie manchmal angenommen wird:

  • Das Nullresultat ist auch verträglich mit Modellen in denen die Lichtgeschwindigkeit variabel ist. Beispielsweise wurde manchmal angenommen dass der Äther vollständig an der Erdoberfläche mitgeführt wird. Eine andere Möglichkeit wäre eine Emissionstheorie, wonach die Lichtgeschwindigkeit von der Quellengeschwindigkeit abhängt und in allen Inertialsystemen konstant relativ zur Lichtquelle ist. Beide Modelle scheiden jedoch aus, da sie experimentell vielfach widerlegt worden sind, wodurch die Relativitätstheorie als einzige Theorie verbleibt, welche alle Experimente erklären kann.
  • Auch das Vorhandensein eines Ätherwindes wird durch dieses Experiment nicht vollständig ausgeschlossen. Wären die Interferometerarme im Ruhezustand nämlich unterschiedlich lang, würde bei Geschwindigkeitsänderungen des Apparats in Bezug zum bevorzugten Bezugssystem trotz Längenkontraktion ein positiver Effekt auftreten. Deswegen muss ein weiteres Experiment berücksichtigt werden, das Kennedy-Thorndike-Experiment, das genau diese Abhängigkeit von der Apparatgeschwindigkeit testet, und dessen negatives Resultat nur mit einer Kombination von Längen- und Zeitveränderungen erklärt werden kann. Für die genaue Bestimmung dieser Größen ist wiederum ein Experiment erforderlich, das die Zeitdilatation direkt misst, beispielsweise das Ives-Stilwell-Experiment. Aus der Kombination dieser drei Experimente kann tatsächlich die Lorentz-Transformation genau bestimmt werden.

Das Experiment[Bearbeiten]

Der Ansatzpunkt für Michelson und Morley war, die Relativgeschwindigkeit zu messen, mit der sich die Erde durch einen als ruhend angenommenen Äther bewegt. Wie bei einem Flugzeug, das sich durch die Luft bewegt, wäre hier ein nachweisbarer „Ätherwind“ zu erwarten, da die Erde sich auf ihrer Bahn um die Sonne mit etwa v = 30 km/s = 3·104 m/s bewegt (immer noch relativ wenig im Vergleich zur Lichtgeschwindigkeit c von rund 3·108 m/s).

Um diesen Effekt zu messen, konstruierte Michelson (1881) einen Interferometer mit zwei senkrecht zueinander stehenden Armen. Die Bewegung des Interferometers im Äther kann entweder aus Sicht eines im Äther ruhenden Beobachters, oder eines mit dem Interferometer mitbewegten Beobachters geschildert werden.

Im Äther ruhender Beobachter[Bearbeiten]

Michelson-morley calculations DE.svg
MichelsonMorleyAnimationDE.gif
Oben: Wellenberge und Wellentäler der vertikalen und horizontalen Lichtstrahlen, die gleichzeitig ausgesendet wurden, kommen bei Anwesenheit eines Äthers aufgrund unterschiedlicher Laufzeiten nicht gleichzeitig zurück. Dies führt zu einer Phasenverschiebung. Unten: Direkter Vergleich der unterschiedlichen Laufzeiten, wobei Wellenberge/Wellentäler bzw. Photonen durch Bälle dargestellt werden.

In Bewegungsrichtung: Das Licht wird von der Lichtquelle ausgesendet und breitet sich mit Lichtgeschwindigkeit c aus, während der zu treffende Spiegel in der Entfernung L startet und sich mit der Geschwindigkeit v relativ zum Äther bewegt. Beim Hinweg trifft der Strahl zum Zeitpunkt t_a beim Spiegel ein und legt dabei den Laufweg ct_a zurück. Bis dahin hat der bei L startende Spiegel die Strecke vt_a zurückgelegt. Es ergibt sich also ct_a =L+vt_a und folglich die Laufzeit t_a=L/(c-v). Dieselben Überlegungen ergeben für den Rückweg den Zusammenhang ct_b =L-vt_b und die Laufzeit t_b=L/(c+v). Die Gesamtlaufzeit t_a +t_b ergibt sich mit:

t_{1}=\frac{L}{c-v}+\frac{L}{c+v}=\frac{2cL}{c^{2}-v^{2}}=\frac{2L}{c}\frac{1}{1-\frac{v^{2}}{c^{2}}}
\approx\frac{2L}{c}\left(1+\frac{v^{2}}{c^{2}}\right)

Dabei würde ausgenutzt, dass (v/c)^2 sehr klein (Größenordnung 10^{-8}) ist, wenn für v die Bewegungsgeschwindigkeit der Erde und für c die Lichtgeschwindigkeit eingesetzt würden.

Senkrecht zur Bewegungsrichtung: Auch hier breitet sich der Strahl konstant mit c aus, trifft zum Zeitpunkt t_c beim Spiegel ein, und legt den Laufweg ct_c zurück. Da der Strahl im Ruhesystem des Interferometers so ausgerichtet ist, dass er sich senkrecht nach oben bewegt, wird er im Ruhesystem des Äthers bei Anwendung der Galilei-Transformation oder unter Berücksichtigung der Impulserhaltung etwas geneigt sein. Inzwischen hat der mit v sich bewegende Spiegel die Strecke vt_c zurückgelegt, wo er vom Strahl getroffen wird. Folglich ist L der Laufweg des Strahls in y-Richtung und vt_c in x-Richtung, und mit dem Satz des Pythagoras ergibt sich ein Laufweg von \scriptstyle \sqrt{L^{2}+\left(vt_{c}\right)^{2}}. Es ist also der Zusammenhang \scriptstyle ct_c =\sqrt{L^{2}+\left(vt_{c}\right)^{2}} gegeben und folglich die Laufzeit \scriptstyle t_c =L/\sqrt{c^{2}-v^{2}}, was auch identisch ist mit der Laufzeit für den Rückweg. (Dieser Effekt entspricht dem Schema einer Lichtuhr bzw. der Lichtaberration). Die Gesamtlaufzeit 2t_c ist gegeben mit:

t_{2}=\frac{2L}{\sqrt{c^{2}-v^{2}}}=\frac{2L}{c}\frac{1}{\sqrt{1-\frac{v^{2}}{c^{2}}}}\approx\frac{2L}{c}\left(1+\frac{v^{2}}{2c^{2}}\right).

Die Laufzeit senkrecht zur Bewegungsrichtung ist also kleiner als in Bewegungsrichtung.[7]

Mitbewegter Beobachter[Bearbeiten]

Wird dieses Ergebnis aus der Sicht eines mitbewegten Beobachters geschildert, dann ist die Auswirkung des Ätherwindes auf Lichtwellen nach den Vorstellungen der klassischen Physik genauso wie die Auswirkung einer starken Strömung eines Flusses (Geschwindigkeit v) auf einen Schwimmer, der sich mit konstanter Geschwindigkeit c zwischen zwei Punkten erst flussaufwärts und dann flussabwärts bewegt.[8]

Wenn in diesem Bild der zweite Punkt direkt flussaufwärts des ersten wäre, würde der Schwimmer durch die Strömung zuerst auf c-v verlangsamt und dann beim Rückweg auf c+v beschleunigt werden, und es ergibt sich obige Laufzeit von t_1.

Verliefe die Strecke zwischen Start- und Endpunkt senkrecht zur Strömungsrichtung, müsste der Schwimmer das kompensieren, indem er in einem kleinen Winkel schräg zu seinem Ziel schwimmt. Seine Geschwindigkeit verringert sich auf \sqrt{c^{2}-v^{2}} und es ergibt sich obige Laufzeit von t_2.

Genauso wäre die Auswirkung des Ätherwindes auf einen Lichtstrahl (Geschwindigkeit c) senkrecht zur Windrichtung geringfügig niedriger als für einen Lichtstrahl, der parallel zum Ätherwind verliefe.

Zeitunterschied[Bearbeiten]

Der Zeitunterschied zwischen beiden Wegen ist

\Delta t = t_1 - t_2 = L \frac{v^2}{c^3}

also umso größer, je länger L ist. Setzt man L = 1 m würde sich mit dem oben angegebenen Wert v der Bewegung der Erde durch den Äther ein Zeitunterschied von \Delta t = 3\cdot10^{-17} Sekunden ergeben, verglichen mit einer Schwingungsperiode im Bereich des sichtbaren Lichts von etwa T = 10^{-15} Sekunden. Der Unterschied \frac{\Delta t}{T} läge im Bereich von 3 Prozent, die mit dem verbesserten Apparat von Michelson und Morley nachweisbar gewesen wären.

In ihrem Experiment von 1887 bemühten sich Michelson und Morley, die Auswirkungen von Erschütterungen, auf die ihre Messapparatur sehr empfindlich reagierte, so weit wie möglich auszuschalten. Der optische Aufbau bestand aus einer monochromatischen Sodiumlichtquelle (gelbes Licht) für die Justierung, und weißem Licht aus einer Lampe für die tatsächliche Messung. Der Lichtstrahl wurde durch einen teilversilberten Spiegel in zwei Strahlen rechtwinklig zueinander aufgespalten. 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 würden, sodass sich das Interferenzmuster bei Drehung der die Apparatur tragenden Steinplatte verschieben müsste.

Dreht man das Experiment beispielsweise um 90 Grad, vertauscht die obigen Formeln für die Laufzeiten von t_1 und t_2, erhält man einen Zeitunterschied von

\Delta t = t_2 - t_1 = - L \frac{v^2}{c^3}

Somit ergibt sich ein Laufzeitunterschied von 2 \,\Delta t zum Ausgangsexperiment. Dies entspricht einem optischen Weglängenunterschied von

d = c \cdot 2 \Delta t = 2 L \frac{v^2}{c^2} = 2{,}2 \cdot 10^{-7}\,\mathrm{m},

falls wie im Experiment von 1887 eine effektive Armlänge des Interferometers von L = 11 m gewählt wird. Die relative Verschiebung der Interferenzmuster ergibt sich mit z. B. einer Wellenlänge \lambda = 500 \,\mathrm{nm} = 5 \cdot 10^{-7}\,\mathrm{m} als

\frac{d}{\lambda} = \frac{2{,}2}{5} = 0{,}44

Der Mittelwert von sechs Messreihen, die am 8., 9. und 11. Juli 1887 durchgeführt wurden, betrug statt 0,44 jedoch mit Sicherheit weniger als 0,02 (oder vielleicht sogar weniger als 0,01), was einer Geschwindigkeit von 8 km/s (bzw. 5 km/s) entsprach. Das Ergebnis war zwar nicht vollständig negativ, jedoch wurde es angesichts des erwarteten, sehr viel größeren Wertes allgemein als ein Nullresultat gewertet.

Erklärung[Bearbeiten]

Lorentzkontraktion und Lorentz-Transformation[Bearbeiten]

Der erste Schritt zur formal korrekten Erklärung des Nullresultats wurde von George Francis FitzGerald (1889) und Hendrik Antoon Lorentz (1892) durch Einführung der Kontraktionshypothese bzw. Lorentzkontraktion gemacht.[9][10] Um die Laufzeiten gleichzumachen und um die Idee eines ruhenden Äthers zu retten, spekulierten sie, dass die Länge der Versuchsanordnung in Bewegungsrichtung relativ zum Äther um L/\gamma verkürzt wird, wo \gamma=1/\sqrt{1-v^{2}/c^{2}} als Lorentzfaktor bezeichnet wird. Lorentz benutzte vor 1904 allerdings nicht exakt diesen Wert, sondern nur Näherungen zweiter Ordnung in v/c. Die Laufzeit in dieser Richtung wird dadurch ebenso verkürzt und ist jetzt gleich lang wie senkrecht zur Bewegungsrichtung, womit das negative Resultat erklärbar wird. Würde man in der oben angegebenen Formel für \,t_1 die durchlaufene Strecke der Länge L mit diesem Faktor multiplizieren, ergibt sich:

t_{1}=\frac{2L\sqrt{1-\frac{v^{2}}{c^{2}}}}{c}\frac{1}{1-\frac{v^{2}}{c^{2}}}=\frac{2L}{c}\frac{1}{\sqrt{1-\frac{v^{2}}{c^{2}}}}=t_{2}.

Bei der Längenkontraktion handelt es sich allerdings nur um einen Spezialfall der möglichen Erklärungen. Allgemein muss nur angenommen werden, dass im bewegten Zustand die transversale Länge im Verhältnis \gamma größer ist als die longitudinale Länge, was auf verschiedene Weisen erreicht werden kann. Wenn L_{1} die bewegte longitudinale Länge und L_{2} die bewegte transversale Länge ist, und L'_{1}=L'_{2} die Ruhelängen, dann ergibt sich der allgemeine Zusammenhang:

\frac{L_{2}}{L_{1}}=\frac{L'_{2}}{\phi}\left/\frac{L'_{1}}{\gamma\phi}\right.=\gamma.

\phi\! ist ein Skalenfaktor, der beliebig gewählt werden kann, deshalb gibt es unendlich viele Kombinationen aus Kontraktionen und Dilatationen um das Nullresultat zu erklären. Beispielsweise würde bei \phi=1\! die gewöhnliche Längenkontraktion von L_1 eintreten, hingegen bei \phi=1/\gamma\! bliebe L_1 unverändert, wohingegen L_2 vergrößert würde. In der Folgezeit wurde die Kontraktionshypothese von Joseph Larmor (1897), Lorentz (1904) und Henri Poincaré (1905) durch Modifikationen der Zeitvariablen zur Lorentz-Transformation weiterentwickelt, um die Resultate des Trouton-Noble-Experiments, der Experimente von Rayleigh und Brace und der Kaufmannschen Experimente zur erklären:

x'=\gamma\phi(x-vt),\ y'=\phi y,\ z'=\phi z,\ t'=\gamma\phi\left(t-\frac{vx}{c^{2}}\right)

Der weiterhin unbestimmte Faktor \phi\! wurde schließlich von Lorentz (1904) gleich 1 gesetzt.[11] Generell konnte Poincaré (1905) zeigen, dass die Gesamtheit der Lorentz-Transformationen nur bei \phi=1\! eine Gruppe bilden.[12] Erst dadurch erhalten Längenkontraktion und Zeitdilatation ihre exakt relativistischen Werte. Die Theorie von Lorentz und Poincaré, die manchmal Lorentzsche Äthertheorie bezeichnet wird, begründet also die scheinbare Gültigkeit des Relativitätsprinzips und der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit, aber sie führt auch zu der Situation, dass der Lichtäther, der die Basis der Theorie bildet, außerhalb jeder experimentellen Überprüfbarkeit steht. Das ist ein Hauptgrund, warum trotz des korrekten mathematischen Formalismus diese Theorie als überholt eingestuft wird.

Spezielle Relativitätstheorie[Bearbeiten]

Der Ad-hoc-Charakter einer auf den Äther basierenden Kontraktionshypothese (und weitergehend der gesamten lorentzschen Äthertheorie) wurde jedoch bald kritisiert. Lorentz selbst sprach vage von einem Einfluss des Äthers als Ursache und führte als Analogie das bei elektrostatischen Feldern beobachtbare Verhalten an, die in Bewegungsrichtung mit einem geschwindigkeitsabhängigen Faktor kontrahiert sind.[13] Wird angenommen, dass die Bindungskräfte in der Materie elektrischer Natur sind, könnte dies die Kontraktion erklären. Lorentz selbst gestand jedoch ein, dass eine solche Annahme keineswegs notwendig sei.[14]

Eine Lösung dieser unbefriedigenden Situation zeigte Albert Einstein 1905 mit der speziellen Relativitätstheorie (SRT) auf, die er auf Basis zweier Postulate ableitete, nämlich des Relativitätsprinzips und der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit.[15] Dabei interpretierte er im Gegensatz zu Lorentz und Poincaré diese als Transformation zwischen gleichberechtigten Raum- und Zeitkoordinaten (also keine Unterscheidung zwischen „wahren“ und „scheinbaren“ Koordinaten) und zeigte damit, dass die Äther-Hypothese überflüssig ist. Die Erklärung des negativen Ausganges des Versuchs entspricht zwar rein formal der Erklärung der Lorentzschen Äthertheorie, jedoch ist in der SRT die Annahme eines Äthers nicht mehr nötig, und die Lorentzkontraktion ergibt sich als logische Konsequenz der zugrundegelegten Postulate. In einem mit v bewegten Bezugssystem, in dem das Interferometer ruht, sind die Laufzeiten gleich. Betrachtet man ein Bezugssystem, in dem sich das Interferometer mit der Geschwindigkeit v bewegt und die Lichtgeschwindigkeit weiter unverändert ist, erklärt man sich das Ergebnis, wie oben beschrieben, mit der Lorentzkontraktion.[16] Diese Erklärung wird als die derzeit gültige angesehen. Obwohl in vielen Schilderungen zur Entwicklung der SRT dieses Experiment als Ausgangspunkt der Theorie geschildert wird, hat Einstein selbst einen direkten Einfluss des Experiments auf seine Ideen abgestritten.[17]

Später zeigten Howard P. Robertson und andere[18][19] (siehe Testtheorien der speziellen Relativitätstheorie), dass es möglich ist, die gesamte Lorentz-Transformation aus der Kombination von drei Experimenten herzuleiten. Das Michelson-Morley-Experiment zeigt, dass die Lichtgeschwindigkeit unabhängig von der Orientierung des Apparats ist, und es bestimmt die Beziehung zwischen longitudinaler (\beta\!) und transversaler (\delta\!) Längen. Es zeigte sich jedoch, dass bei Verwendung von unterschiedlichen Ruhelängen der Interferometerarme ein positives Ergebnis auftreten müsste, wenn der Apparat seine Relativgeschwindigkeit zu einem bevorzugten Bezugssystem ändert. Das Nullergebnis des Kennedy-Thorndike-Experiments, mit dem dieser Zusammenhang getestet wurde, zeigt also, dass die Lichtgeschwindigkeit unabhängig von der Geschwindigkeit des Apparats ist, und es bestimmt die Beziehung zwischen Zeitveränderungen (\alpha\!) und longitudinaler (\beta\!) Längen. Die beiden Experimente ergeben also nur diese Verhältnisse, nicht die individuellen Werte von \alpha\!, \beta\!, \delta\!. Diese Unbestimmtheit entspricht dem oben definierten Faktor \phi\! – dieser konnte im Rahmen der Gruppentheorie zwar auf 1 gesetzt werden, jedoch wäre eine experimentelle Bestätigung dieses theoretischen Ergebnisses wünschenswert. Dazu ist eine direkte Messung einer der drei Größen \alpha\!, \beta\!, \delta\! erforderlich. Das wurde durch das Ives-Stilwell-Experiment erbracht, mit dem \alpha\! in Übereinstimmung mit der Zeitdilatation gemessen wurde. Mittels Kennedy-Thorndike kann nun \beta\! mit der Längenkontraktion identifiziert werden, und folglich kann \delta\! mittels Michelson-Morley gleich Null gesetzt werden. Somit sind alle Größen gegeben, welche die Grundlage der Lorentz-Transformation bilden.[18]

Widerlegte Alternativen[Bearbeiten]

In der Theorie der vollständigen Äthermitführung, welche auf George Gabriel Stokes (1845) zurückgeht, würde der Äther nicht ruhen, sondern bis zu einer bestimmten Entfernung von der Oberfläche die Bewegung der Erde mitvollziehen. Dies kann das Nullresultat erklären, denn in diesem Falle ruht der Äther relativ zur Erdoberfläche. Jedoch, wie Lorentz (1886) aufzeigte, waren die Probleme dieser Theorie vor allem im Zusammenhang mit der Aberration des Sternenlichts und dem Fizeau-Experiment zu groß, sodass diese Erklärung nicht in Erwägung gezogen werden konnte. Michelson selbst glaubte nach seinem ersten Experiment 1881, dass sein Experiment die Theorie von Stokes bestätigt habe. 1887 kannte er jedoch bereits die Einwände von Lorentz und verwarf auch diese Theorie.

Ebenso mit dem Nullresultat verträglich ist diese ursprünglich von Isaac Newton und später von Walter Ritz (1908) vertretene Emissionstheorie, welche die Existenz des Äthers negiert und eine konstante Lichtgeschwindigkeit relativ zur Lichtquelle postuliert. Beim Wechsel der Bezugssysteme wird die Galilei-Transformation benutzt, womit die Theorie das klassische Relativitätsprinzip erfüllt. In einem Bezugssystem, in dem die Interferometeranordnung ruht, ist die Lichtgeschwindigkeit in Bezug zum ruhenden Interferometer konstant, und es ergibt sich eine gleiche Lichtlaufzeit in beide Richtungen. Aus einem relativ dazu mit v bewegten System betrachtet bekommt das Licht die Geschwindigkeit des Interferometer (das hier als Lichtquelle fungiert) wie bei einem Geschoss hinzuaddiert und bewegt sich folglich mit c ± v. Die Lichtgeschwindigkeit relativ zur Lichtquelle bleibt dabei jedoch konstant, und es ergeben sich wiederum gleiche Laufzeiten. Jedoch gilt diese Theorie u. a. wegen des Sagnac-Effektes und den beobachteten Bewegungen von Doppelsternen als widerlegt.

Weitere Experimente[Bearbeiten]

Experimente vom Michelson-Morley-Typ wurden mehrfach mit erhöhter Genauigkeit durchgeführt, wobei die meisten (Kennedy, Illingworth, Joos) Nullresultate innerhalb der Fehlergrenzen erhielten. Ausnahmen wie die Ergebnisse von ca. 10 km/s durch Dayton Miller (1921-26) konnten nicht bestätigt werden, wobei moderne Analysen diverse Fehlerquellen aufzeigen konnten.[20][21] Miller wies darauf hin, dass in allen anderen Experimenten um die Interferometer herum eine starke abschirmende Hülle verwendet worden ist, die den Äther mitgeführt habe, während das bei ihm nicht der Fall gewesen sei. Dies wurde jedoch durch das Hammar-Experiment (1935) widerlegt, wo ein Arm des Interferometers mit einer Bleihülle umgeben war, der andere nicht. Gemäß Miller hätte hier ein positives Ergebnis erzielt werden müssen, doch es war negativ, wodurch Millers These widerlegt war.[22] Darüber hinaus muss hinzugefügt werden, dass bei den älteren Experimenten gewöhnlich nur die Relativgeschwindigkeit von 30 km/s berücksichtigt wird, nicht jedoch die erheblich größere Umlaufgeschwindigkeit des Sonnensystems um den Galaxienkern von ca. 220 km/s, oder die Relativbewegung zwischen dem Sonnensystem und dem hypothetischen Ruhesystem der Hintergrundstrahlung von ca. 368 km/s, wodurch die Geringfügigkeit der Resultate noch deutlicher ersichtlich wird.

Autor Ort Jahr Armlänge (Meter) Erwartete Versch. Gemessen Versch. Verhältnis
Erw.-Gem.
Obere Grenze für v_{Erde} Genauigkeit Null-
resultat
Michelson[1] Potsdam 1881 1,2 0,04 ≤ 0,02 2 ∼ 20 km/s 0,02 \approx Ja
Michelson und Morley[2] Cleveland 1887 11,0 0,4 < 0,02
od. ≤ 0,01
40 ∼ 4-8 km/s 0,01 \approx Ja
Morley and Miller[23][24] Cleveland 1902–1904 32,2 1,13 ≤ 0,015 80 ∼ 3,5 km/s 0,015 Ja
Miller[25] Mt. Wilson 1921 32,0 1,12 ≤ 0,08 15 ∼ 8-10 km/s Unklar Unklar
Miller[25] Cleveland 1923–1924 32,0 1,12 ≤ 0,03 40 ∼ 5 km/s 0,03 Ja
Miller (Sonnenlicht)[25] Cleveland 1924 32,0 1,12 ≤ 0,014 80 ∼ 3 km/s 0,014 Ja
Tomaschek (Sternenlicht)[26] Heidelberg 1924 8,6 0,3 ≤ 0,02 15 ∼ 7 km/s 0,02 Ja
Miller[25][27] Mt. Wilson 1925–1926 32,0 1,12 ≤ 0,088 13 ∼ 8-10 km/s Unklar Unklar
Kennedy[28] Pasadena/Mt. Wilson 1926 2,0 0,07 ≤ 0,002 35 ∼ 5 km/s 0,002 Ja
Illingworth[29] Pasadena 1927 2,0 0,07 ≤ 0,0004 175 ∼ 2 km/s 0,0004 Ja
Piccard & Stahel[30] in einem Ballon 1926 2,8 0,13 ≤ 0,006 20 ∼ 7 km/s 0,006 Ja
Piccard & Stahel[31] Brüssel 1927 2,8 0,13 ≤ 0,0002 185 ∼ 2,5 km/s 0,0007 Ja
Piccard & Stahel[32] Rigi 1927 2,8 0,13 ≤ 0,0003 185 ∼ 2,5 km/s 0,0007 Ja
Michelson et al.[33] Mt. Wilson 1929 25,9 0,9 ≤ 0,01 90 ∼ 3 km/s 0,01 Ja
Joos[34] Jena 1930 21,0 0,75 ≤ 0,002 375 ∼ 1,5 km/s 0,002 Ja

Moderne Experimente[Bearbeiten]

Optische Tests[Bearbeiten]

Optische Tests der Isotropie der Lichtgeschwindigkeit werden inzwischen routinemäßig durchgeführt.[35] Die Genauigkeit der Interferenz-Experimente wurde durch Einsatz von Laser, Maser, kryogenischen optischen Resonatoren usw. erheblich vergrößert. Dabei wurden Experimentalanordnungen verwendet, die teils von dem klassischen Schema des MM-Experiments abweichen. (In der folgenden Tabelle stellen nur Essen (1955), Jaseja et al. (1964), und Shamir/Fox (1969) Experimente vom Michelson-Morley-Typ dar, d. h., es werden senkrecht zueinander stehende Strahlen verglichen. Die anderen Experimente benutzten abweichende Methoden.)

Autor Jahr Beschreibung Obergrenzen
Louis Essen[36] 1955 Die Frequenz eines rotierenden Mikrowellen-Resonators wurde mit einer Quarzuhr verglichen. ~3 km/s
Cedarholm et al.[37][38] 1958 Zwei Ammoniak-Maser wurden auf einer rotierenden Platte befestigt, wobei die Strahlen in entgegengesetzte Richtungen zeigten. ~30 m/s
Mößbauer-Rotor-Experimente 1960–63 In einer Reihe von Experimenten verschiedener Forschergruppen wurden die Frequenzen von Gammastrahlen mittels des Mößbauer-Effekts auf einer rotierenden Scheibe beobachtet. ~3–4 m/s
Jaseja et al.[39] 1964 Die Frequenzen zweier Helium-Neon-Laser, die sich auf einer rotierenden Platte befanden, wurden verglichen. Im Gegensatz zu Cedarholm et al. wurden die Maser senkrecht zueinander platziert. ~30 m/s
Shamir und Fox[40] 1969 Beide Arme des Interferometers befanden sich in einem transparenten Festkörper (Plexiglas). Als Lichtquelle fungierte ein Helium-Neon-Laser. ~7 km/s
Trimmer et al.[41][42] 1973 Sie suchten nach Anisotropien der Lichtgeschwindigkeit, die sich wie das erste und dritte Legendre-Polynom verhalten. Dabei benutzten sie einen Triangular-Interferometer, wobei ein Teil des Weges aus Glas bestand. (Zum Vergleich: Experimente vom Michelson-Morley-Typ testen das zweite Legendre-Polynom.[19]) ~2.5 cm/s

Resonator-Experimente[Bearbeiten]

Michelson-Morley-Experiment mit kryogenischen optischen Resonatoren durch Müller et al. (2003)

In den letzten Jahren ergab sich ein verstärktes Interesse an der Durchführung hochpräziser Tests der Lorentzinvarianz - darunter auch solche vom Michelson-Morley-Typus mittels optischer Resonatoren. Veranlasst wurden diese Experimente durch mögliche Verletzungen der Lorentzinvarianz in verschiedenen Varianten der Quantengravitation. Beispielgebend dafür war das Experiment von Brillet und Hall (1979), bei dem eine Laserfrequenz, stabilisiert zu einem rotierenden optischen Fabry-Pérot-Resonator, analysiert wurde.[43] Dabei ergab sich eine maximale Anisotropie des Lichtes von Δc/c ≈ 10−15, wobei Δc die Differenz zwischen der Lichtgeschwindigkeit in x- und y-Richtung ist.

Bis 2009 haben optische und Mikrowellen-Resonatoren diese Grenze bis auf Δc/c ≈ 10−17 erhöht. Diese Experimente werden mit teils stationären als auch mit rotierenden Anordnungen durchgeführt, wobei diese oft auch mit dem Prinzip des Kennedy-Thorndike-Experiments kombiniert werden. Bei der Auswertung der Experimente wird dabei die Relativgeschwindigkeit zum Ruhesystem der kosmischen Hintergrundstrahlung von ungefähr 377 km/s benutzt. (Isotropieexperimente, bei denen eine ähnliche Präzision erreicht wird, sind Hughes-Drever-Experimente, wobei allerdings Nukleonen getestet werden. Für weitere moderne Experimente siehe Moderne Tests der Lorentzinvarianz.)

Autor Jahr Beschreibung Δc/c
Wolf et al.[44] 2003 Die Frequenz eines stationären kryotechnischem Mikrowellen-Resonators wurde mit einem Wasserstoffmaser verglichen. Daten zwischen 2001–2002 wurden ausgewertet.
\lesssim10^{-15}
Müller et al.[45] 2003 Die Frequenzen von zwei Nd:YAG-Lasers wurden zu Resonanzen zweier kryogenischer optischer Resonatoren stabilisiert.
Wolf et al.[46] 2004 Siehe Wolf et al. (2003). Daten zwischen 2002–2004 wurden analysiert.
Antonini et al.[47] 2005 Ähnlich wie Müller et al. (2003), doch hier wurde der Apparat selbst in Rotation versetzt. Daten zwischen 2002–2004 wurden analysiert.
\lesssim10^{-16}
Stanwix et al.[48] 2005 Ähnlich wie Wolf et al. (2003), doch hier wurde der Apparat selbst in Rotation versetzt. Daten zwischen 2004–2005 wurden analysiert.
Herrmann et al.[49] 2005 Ähnlich wie Müller et al. (2003). Die Frequenzen zweier Fabry-Pérot-Resonatoren wurde verglichen – einer rotierte kontinuierlich, während der andere stationär nach Nord-Süd ausgerichtet war. Daten zwischen 2004–2005 wurden analysiert.
Stanwix et al.[50] 2006 Siehe Stanwix et al. (2005). Daten zwischen 2004–2006 wurden analysiert.
Müller et al.[51] 2007 Siehe Herrmann et al. (2005) und Stanwix et al. (2006). Daten beider Gruppen wurden zwischen 2004–2006 gesammelt, kombiniert und weiteranalysiert. Da die Experimente auf unterschiedlichen Kontinenten durchgeführt wurden, bei Berlin and Perth, konnten sowohl die Effekte der Rotation der Apparates selbst und der Erdrotation besonders ausführlich studiert werden.
Eisele et al.[5] 2009 Die Frequenzen zweier orthogonal orientierter elektromagnetischer Resonatoren wurden verglichen, wobei Nd:YAG-Laser benutzt wurden. Daten zwischen 2007–2008 wurden analysiert.
\lesssim10^{-17}
Herrmann et al.[6] 2009 Ähnlich wie Herrmann et al. (2005). Zwei orthogonal orientierte, rotierende Fabry-Pérot-Resonatoren wurden benutzt, zu denen die Frequenzen zweier Nd:YAG-Laser stabilisiert wurden.

Geschichte[Bearbeiten]

Ausgangssituation und Vorgeschichte[Bearbeiten]

Weiterführende Information: Äther (Physik)

Zum Zeitpunkt, als das erste Experiment (1881) durchgeführt wurde, gab es zwei konkurrierende Äthertheorien.

  • Augustin Jean Fresnel (1819) nahm an, dass der Äther in der Nähe der Körper gar nicht, und nur in den Körpern selbst mitgeführt werde. Die Geschwindigkeit des Lichts in einem mit der Geschwindigkeit v bewegten Medium ergab sich in dieser Theorie als c = c_0 + \phi mit dem Mitführungskoeffizienten \phi=(1- 1 /n^2) v, wobei n der Brechungsindex ist.[52]
  • George Gabriel Stokes (1845) nahm dagegen an, dass der Äther in und in der Nähe der Körper vollständig mitgeführt werde.[53]

Eine wichtige Entscheidung zwischen den Theorien erbrachte das Fizeau-Experiment von Armand Hippolyte Louis Fizeau (1851). Er verwendete eine Interferometer-Anordnung, mit der die Lichtgeschwindigkeit im Wasser gemessen wurde.[54] Das Ergebnis sprach für eine teilweise Mitführung des Äthers im Sinne Fresnels und konnte mit Stokes Theorie nur mit umständlichen Hilfshypothesen vereinbart werden. Ebenso war die Existenz der Aberration des Lichtes besser mit Fresnels als mit Stokes Theorie in Einklang zu bringen. Schließlich veröffentlichte Lorentz 1886 eine Schrift, in der gezeigt wurde, dass die Hilfshypothesen von Stokes sich selbst widersprechen. Deswegen wurde schließlich die durch Lorentz modifizierte Theorie Fresnels bevorzugt. [55]

Fresnels Mitführungskoeffizient hatte zur Folge, dass bei Ätherdrift-Experimenten keine positiven Resultate in der Größenordnung von v/c zu erwarten waren, wobei v die Relativgeschwindigkeit Erde-Äther und c die Lichtgeschwindigkeit ist. Jedoch sollte es bei Experimenten, welche Effekte in der Größenordnung von v^2/c^2 aufzuzeigen vermochten, unbedingt zu positiven Resultaten kommen. Das Michelson-Morley-Experiment war das erste Experiment dieser Art.

Vorbereitung und Durchführung[Bearbeiten]

Altes Observatoriumsgebäude (Michelson-Gebäude), Telegrafenberg Potsdam. Im Keller des rechten Turms wurde das ursprüngliche Experiment 1881 ausgeführt.
Originalgetreuer Nachbau des in Potsdam von Michelson durchgeführten Experimentes. Dieser Nachbau befindet sich an dem Ort (im Keller des Michelson-Gebäudes am Telegrafenberg Potsdam), an welchem Michelson sein Experiment 1881 durchführte.

Michelson hatte 1879 aus einem Brief von James Clerk Maxwell an D. P. Todd, den Leiter des Nautical Almanac Office, wo er als junger Marineinstrukteur tätig war und Messungen der Lichtgeschwindigkeit durchführte, von der Möglichkeit der experimentellen Überprüfung der Bewegung der Erde durch den Äther gehört. Maxwell erwähnte darin zunächst die mögliche Überprüfung durch die Beobachtung der Verdunkelungszeiten der Jupitermonde, ein Effekt 1. Ordnung, damals aber zu schwer zu beobachten, und dann, dass bei Experimenten auf der Erde eine relative Genauigkeit von 10^{-8} erforderlich wäre (Effekt 2. Ordnung), was nach seiner Ansicht jenseits des damals Messbaren läge. Michelson führte das Experiment zuerst im April 1881 im Keller des Hauptgebäudes des Observatoriums auf dem Telegrafenberg in Potsdam (das erst 1879 fertiggestellt wurde) durch, während er mit einem Stipendium von Bell 1880 bis 1882 in Berlin war (ermutigt wurde er dabei durch den Direktor Hermann von Helmholtz). Versuche, es zuvor im Physikalischen Institut in Berlin-Mitte, Wilhelmstr. 67a durchzuführen, scheiterten an Erschütterungen durch den starken Verkehr. Michelson erhielt zwar ein Nullresultat, aber die Genauigkeit war nicht sehr hoch (er benutzte ein drehbares Messing-Gestell mit Armlängen von rd. 1 m): Erwartet wurde eine Verschiebung von 0,04 Interferenzstreifen, falls die Fresnelsche Ätherhypothese richtig war, und die Fehlergrenze lag bei 0,02. Vor allem hatte er den Einfluss der Ätherbewegung auf die Ausbreitung des Lichtes im Arm senkrecht zur Bewegungsrichtung nicht berücksichtigt, d. h., das Licht breitet sich hier geneigt aus und nicht geradlinig, wie Michelson angenommen hatte. Michelsons Experiment wurde dann auch sogleich von Lorentz (1884 und 1886) kritisiert, der inzwischen eine eigene Äthertheorie entwickelt hatte. Er konnte zeigen, dass bei Korrektur der Laufzeit für den Querarm der erwartete Effekt nur noch halb so groß war, und berücksichtigt man zusätzlich den fresnelschen Mitführungskoeffizienten, konnte das Fehlergebnis (wenn auch nur knapp) erklärt werden, wodurch diesem Experiment seine Aussagekraft genommen wurde.[1]

Michelson begann 1885 eine Zusammenarbeit mit dem Chemie-Professor Edward W. Morley an der Case Western Reserve University in Cleveland (Ohio). Sie führten eine Reihe von Messungen zu verschiedenen Zwecken durch, wobei die psychische Belastung während dieser Präzisionsmessungen offenbar so hoch war, dass Michelson 1885 einen Nervenzusammenbruch erlitt, von dem er sich nach mehreren Monaten erholt hatte:[56] Sie bestätigten das Ergebnis des Fizeau-Experiments mit höherer Genauigkeit (1886)[57] und versuchten, die Wellenlänge von Licht als neuen Längenstandard festzusetzen (1887, 1889).[58][59]

Von größerer Bedeutung war allerdings ihre Wiederholung (1887) des Michelson-Experiments von 1881 auf Drängen u. a. von Rayleigh und Kelvin, welches das eigentliche Michelson-Morley-Experiment darstellt.[2] Hierbei verwandten sie Verbesserungen wie Mehrfachreflexion zur Verlängerung des Lichtweges auf 11 m statt der rund 1,2 m in Potsdam, eine bessere Dämpfung, eine in einem Quecksilberbad schwimmende und somit leicht drehbare Versuchsplattform und einen schweren Steintisch. Um die Erschütterungen zu minimieren, wurde der Verkehr weiträumig abgesperrt. Die bei Gültigkeit der fresnelschen Ätherhypothese erwartete Verschiebung betrug nun 0,4, die beobachtete lag jedoch mit Sicherheit unter 0,02 und möglicherweise unterhalb von 0,01. Da die Verschiebung proportional dem Quadrat der Geschwindigkeit war, entspricht dies laut Michelson einer Geschwindigkeit von weniger als einem Viertel (ca. 8 km/s) bzw. einem Sechstel (ca. 5 km/s) der Erdgeschwindigkeit von 30 km/s. Dies war für Michelson und seine Zeitgenossen zu gering, um ernsthaft als positives Ergebnis aufgefasst zu werden, und es wurde somit das berühmteste Experiment mit Nullresultat. Statt die Relativgeschwindigkeit zum ruhenden Äther aufzuzeigen, zeigte es keinen der erwarteten Effekte, so als existiere der „Ätherwind“ überhaupt nicht. Eine Relativbewegung zwischen Erde und Äther konnte nicht nachgewiesen werden.[2] Das Experiment selbst wurde vom 8. bis 12. Juli 1887 durchgeführt, wobei bei insgesamt 36 Drehungen gemessen wurde.[60] Auf die eigentlich beabsichtigten Wiederholungen zu verschiedenen Jahreszeiten (und damit verschiedenen Relativgeschwindigkeiten der Erde gegen den „Äther“) verzichteten beide.

Danach wandte sich Michelson anderen Forschungen zu und verwendete sein Interferometer für Längenmessungen.[Fußnote 1] Ein nochmals verbessertes Experiment wurde 1904 von Morley und Dayton Miller durchgeführt, wiederum durch Verlängerung des Lichtweges, diesmal auf über 32 m.[Fußnote 2] Auch Michelson führte das Experiment noch mehrfach in verfeinerter Form aus, nachdem Miller, der in größerer Höhe beim Mount-Wilson-Observatorium in Kalifornien experimentierte, 1925 behauptet hatte, doch noch ein positives Resultat erzielt zu haben.[61] Wieder waren Michelsons Ergebnisse negativ. Michelson selbst war ebenso wie Morley bis zu seinem Tod 1931 nie vollständig von der Nichtexistenz eines Äthers überzeugt. 1930 konnte Georg Joos das Verhältnis auf erwartete 0,75 der Interferenzstreifenbreite und einer beobachteten oberen Grenze von 0,002 steigern.[62] Die Experimente von Joos und K. K. Illingworth fanden im Zeisswerk Jena 1927 bis 1930 statt und verwendeten eine effektive Armlänge von 30 m. Verbesserte Experimente vom Michelson-Morley-Typ werden bis heute durchgeführt (siehe „Weitere Experimente“).

Literatur[Bearbeiten]

  •  Jannsen, M. & Stachel, J.: The Optics and Electrodynamics of Moving Bodies (PDF; 253 kB). 2004.
  •  Whittaker, E. T.: 1. Ausgabe: A History of the theories of aether and electricity. Longman, Green and Co., Dublin 1910, S. 411-466. (One Volume: From the age of Descartes to the close of the nineteenth century (1910))
  •  Whittaker, E. T.: 2. Ausgabe: A History of the theories of aether and electricity, vol. 1: The classical theories / vol. 2: The modern theories 1800–1950. London 1951.
  • Robert Shankland u. a. New Analysis of Interferometer Observations of Dayton Miller, Reviews of Modern Physics 1955
  • Robert Shankland Michelson-Morley Experiment, American Journal of Physics, Band 32, 1964, 16-34
  • Robert Shankland Michelson and his interferometer, Physics Today 1974
  • Michelsons eigene Schilderung findet sich in seinen Studies in Optics 1927, Dover 1995, die Originalarbeiten sind im American Journal of Science, 3. Series, Bd. 22, 1881, S. 120 und Bd. 34, 1887, S. 333
  • Gerald Holton Einstein, Michelson und das Experimentum Crucis, in Holton Thematische Analyse der Wissenschaften, Suhrkamp 1981 (zuerst in Isis Bd. 60, 1969)
  • Stuewer, Goldberg (Hrsg.) The Michelson Era in American Science 1870–1930, American Institute of Physics, New York, 1988
  • L. Swenson The ethereal Aether - a history of the Michelson Morley Aether Drift Experiment 1880–1930, University of Texas Press, Austin 1972
  • Physics Today Bd. 40, 1987 Michelson-Morley Memorial Issue, S. 9–69 (Beiträge von Stachel, Will, Jackson, Swenson, Haugman u. a.)

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. a b c  A. A. Michelson: Wikisource: The Relative Motion of the Earth and the Luminiferous Ether. In: American Journal of Science. 22, 1881, S. 120-129. Siehe auch deutsche Übersetzung:  A. A. Michelson: Die Relativbewegung der Erde gegen den Lichtäther. In: Die Naturwissenschaften. 19, Nr. 38, 1931 (übersetzt von Clara von Simson), S. 779–784, doi:10.1007/BF01528662.
  2. a b c d  A. A. Michelson & E. W. Morley: Wikisource: On the Relative Motion of the Earth and the Luminiferous Ether. In: American Journal of Science. 34, 1887, S. 333-345. Siehe auch deutsche Übersetzung der 1881- und 1887-Arbeit (Online).
  3. z. B. „One of the most famous optical experiments ever performed.“ („Eines der berühmtesten Optik-Experimente, die jemals ausgeführt wurden“), Swenson, Artikel Michael Morley Experiment in Lerner, Trigg (Hrsg.) Encyclopedia of Physics, VCH 1990
  4. Albert Einstein & Leopold Infeld: Evolution der Physik. Rowohlt Verlag, 1956, S. 118
  5. a b Eisele, Ch.; Nevsky, A. Yu.; Schiller, S.: Laboratory Test of the Isotropy of Light Propagation at the 10−17 level. In: Physical Review Letters. 103, Nr. 9, 2009, S. 090401. Bibcode: 2009PhRvL.103i0401E. doi:10.1103/PhysRevLett.103.090401. PMID 19792767.
  6. a b Herrmann, S.; Senger, A.; Möhle, K.; Nagel, M.; Kovalchuk, E. V.; Peters, A.: Rotating optical cavity experiment testing Lorentz invariance at the 10−17 level. In: Physical Review D. 80, Nr. 100, 2009, S. 105011. arXiv:1002.1284. Bibcode: 2009PhRvD..80j5011H. doi:10.1103/PhysRevD.80.105011.
  7. Feynman, R.P.: The Michelson-Morley-experiment (15-3). In: The Feynman Lectures on Physics, 2. Addison-Wesley Longman, Reading 1970, ISBN 0-201-02115-3.
  8. Edward Teller, Wendy Teller, Wilson Talley: Conversations on the Dark Secrets of Physics. Basic books, 2002, ISBN 0786752378, S. 10–11.
  9. George Francis FitzGerald: The Ether and the Earth’s Atmosphere. In: Science. 13, 1889, S. 390. doi:10.1126/science.ns-13.328.390.
  10. Hendrik Antoon Lorentz: Die relative Bewegung der Erde und des Äthers. In: Abhandlungen über Theoretische Physik. B.G. Teubner, Leipzig 1892/1907, S. 443–447.
  11. Lorentz, Hendrik Antoon: Elektromagnetische Erscheinungen in einem System, das sich mit beliebiger, die des Lichtes nicht erreichender Geschwindigkeit bewegt. In: Blumenthal, Otto & Sommerfeld, Arnold (Hrsg.): Das Relativitätsprinzip. Eine Sammlung von Abhandlungen 1904/1913, S. 6-26.
  12. Poincaré, Henri: Sur la dynamique de l’électron. In: Comptes rendus hebdomadaires des séances de l'Académie des sciences. 140, 1905, S. 1504–1508.
  13. Eine einfache geometrische Konstruktion dafür hatte Oliver Heaviside 1889 angegeben, vgl. Sexl, Urbantke Relativität, Gruppen, Teilchen, Springer, S. 96
  14. Genauer spricht er davon, dass die für die Form des starren Körpers verantwortlichen molekularen Kräfte „wahrscheinlich“ vom Äther in ähnlicher Weise wie die elektromagnetischen Kräfte übertragen werden. Lorentz The Theory of Electrons, 1909, zitiert bei Sexl, Urbantke Relativität, Gruppen, Teilchen, S. 96
  15. Einstein, Albert: Zur Elektrodynamik bewegter Körper. In: Annalen der Physik. 322, Nr. 10, 1905, S. 891–921.
  16. Einstein Albert: Über die spezielle und die allgemeine Relativitätstheorie, §16. Springer, Berlin-Heidelberg-New York 1917, ISBN 3-540-42542-0. Siehe auch englischer Volltext
  17. Shankland Conversations with Einstein, American Journal of Physics Bd.31, 1963, 47, allerdings gab er in einem Brief von 1952 zu, doch indirekt über die Schriften von Lorentz durch das Experiment beeinflusst worden zu sein, Shankland American Journal of Physics, Bd.32, 1964, 16
  18. a b Robertson, H. P.: Postulate versus Observation in the Special Theory of Relativity. In: Reviews of Modern Physics. 21, Nr. 3, 1949, S. 378–382. Bibcode: 1949RvMP...21..378R. doi:10.1103/RevModPhys.21.378.
  19. a b Mansouri R., Sexl R.U.: A test theory of special relativity: III. Second-order tests. In: General. Relat. Gravit.. 8, Nr. 10, 1977, S. 809–814. Bibcode: 1977GReGr...8..809M. doi:10.1007/BF00759585.
  20. Robert S. Shankland, et al.: New Analysis of the Interferometer Observations of Dayton C. Miller. In: Reviews of Modern Physics. 27, Nr. 2, 1955, S. 167–178. doi:10.1103/RevModPhys.27.167.
  21. T. Roberts (2007), Relativity FAQ, What is the experimental basis of Special Relativity?
  22. G. W. Hammar: The Velocity of Light Within a Massive Enclosure. In: Physical Review. 48, Nr. 5, 1935, S. 462–463. doi:10.1103/PhysRev.48.462.2.
  23. Edward W. Morley and Dayton C. Miller: Extract from a Letter dated Cleveland, Ohio, August 5th, 1904, to Lord Kelvin from Profs. Edward W. Morley and Dayton C. Miller. In: Philosophical Magazine. 8, Nr. 48, 1904, S. 753-754.
  24. Edward W. Morley and Dayton C. Miller: Report of an experiment to detect the Fitzgerald-Lorentz Effect. In: Proceedings of the American Academy of Arts and Sciences. XLI, Nr. 12, 1905, S. 321-8.
  25. a b c d Miller, Dayton C.: Ether-Drift Experiments at Mount Wilson. In: Proceedings of the National Academy of Sciences. 11, Nr. 6, 1925, S. 306-314. doi:10.1073/pnas.11.6.306.
  26. Tomaschek, R.: Über das Verhalten des Lichtes außerirdischer Lichtquellen. In: Annalen der Physik. 378, Nr. 1, 1924, S. 105-126. doi:10.1002/andp.19243780107.
  27. Miller, Dayton C.: The Ether-Drift Experiment and the Determination of the Absolute Motion of the Earth. In: Reviews of Modern Physics. 5, Nr. 3, 1933, S. 203-242. doi:10.1103/RevModPhys.5.203.
  28. Kennedy, Roy J.: A Refinement of the Michelson-Morley Experiment. In: Proceedings of the National Academy of Sciences. 12, Nr. 11, 1926, S. 621-629. doi:10.1073/pnas.12.11.621.
  29. Illingworth, K. K.: A Repetition of the Michelson-Morley Experiment Using Kennedy's Refinement. In: Physical Review. 30, Nr. 5, 1927, S. 692-696. doi:10.1103/PhysRev.30.692.
  30. Piccard, A.; Stahel, E.: L’expérience de Michelson, réalisée en ballon libre.. In: Comptes Rendus. 183, Nr. 7, 1926, S. 420-421.
  31. Piccard, A.; Stahel, E.: Neue Resultate des Michelson-Experimentes. In: Die Naturwissenschaften. 15, Nr. 6, 1927, S. 140. doi:10.1007/BF01505485.
  32. Piccard, A.; Stahel, E.: Das Michelson-Experiment, ausgeführt auf dem Rigi, 1 800 m ü. M.. In: Die Naturwissenschaften. 16, Nr. 2, 1927, S. 25. doi:10.1007/BF01504835.
  33. Michelson, A. A.; Pease, F. G.; Pearson, F.: Results of repetition of the Michelson-Morley experiment. In: Journal of the Optical Society of America. 18, Nr. 3, 1929, S. 181.
  34. Joos, G.: Die Jenaer Wiederholung des Michelsonversuchs. In: Annalen der Physik. 399, Nr. 4, 1930, S. 385-407. doi:10.1002/andp.19303990402.
  35. Relativity FAQ (2007): What is the experimental basis of Special Relativity?
  36. Essen, L.: A New Æther-Drift Experiment. In: Nature. 175, Nr. 4462, 1955, S. 793-794. doi:10.1038/175793a0.
  37. Cedarholm, J. P.; Bland, G. F.; Havens, B. L.; Townes, C. H.: New Experimental Test of Special Relativity. In: Physical Review Letters. 1, Nr. 9, 1958, S. 342-343. doi:10.1103/PhysRevLett.1.342.
  38. Cedarholm, J. P.; Townes, C. H.: New Experimental Test of Special Relativity. In: Nature. 184, Nr. 4696, 1959, S. 1350-1351. doi:10.1038/1841350a0.
  39. Jaseja, T. S.; Javan, A.; Murray, J.; Townes, C. H.: Test of Special Relativity or of the Isotropy of Space by Use of Infrared Masers. In: Phys. Rev.. 133, Nr. 5a, 1964, S. 1221–1225. Bibcode: 1964PhRv..133.1221J. doi:10.1103/PhysRev.133.A1221.
  40. Shamir, J.; Fox, R.: A new experimental test of special relativity. In: Il Nuovo Cimento B. 62, Nr. 2, 1969, S. 258-264. doi:10.1007/BF02710136.
  41. Trimmer, William S.; Baierlein, Ralph F.; Faller, James E.; Hill, Henry A.: Experimental Search for Anisotropy in the Speed of Light. In: Physical Review D. 8, Nr. 10, 1973, S. 3321-3326. doi:10.1103/PhysRevD.8.3321.
  42. Trimmer, William S.; Baierlein, Ralph F.; Faller, James E.; Hill, Henry A.: Erratum: Experimental search for anisotropy in the speed of light. In: Physical Review D. 9, Nr. 8, 1974, S. 2489-2489. doi:10.1103/PhysRevD.9.2489.2.
  43. Brillet, A.; Hall, J. L.: Improved laser test of the isotropy of space. In: Phys. Rev. Lett.. 42, 1979, S. 549-552. doi:10.1103/PhysRevLett.42.549.
  44. Wolf et al.: Tests of Lorentz Invariance using a Microwave Resonator. In: Physical Review Letters. 90, Nr. 6, 2003, S. 060402. arXiv:gr-qc/0210049. Bibcode: 2003PhRvL..90f0402W. doi:10.1103/PhysRevLett.90.060402. PMID 12633279.
  45. Müller, H.; Herrmann, S.; Braxmaier, C.; Schiller, S.; Peters, A.: Modern Michelson-Morley experiment using cryogenic optical resonators. In: Phys. Rev. Lett.. 91, Nr. 2, 2003, S. 020401. arXiv:physics/0305117. Bibcode: 2003PhRvL..91b0401M. doi:10.1103/PhysRevLett.91.020401. PMID 12906465.
  46. Wolf, P.; Bize, S.; Clairon, A.; Santarelli, G.; Tobar, M. E.; Luiten, A. N.: Improved test of Lorentz invariance in electrodynamics. In: Physical Review D. 70, Nr. 5, 2004, S. 051902. arXiv:hep-ph/0407232. Bibcode: 2004PhRvD..70e1902W. doi:10.1103/PhysRevD.70.051902.
  47. Antonini, P.; Okhapkin, M.; Göklü, E.; Schiller, S.: Test of constancy of speed of light with rotating cryogenic optical resonators. In: Physical Review A. 71, Nr. 5, 2005, S. 050101. arXiv:gr-qc/0504109. doi:10.1103/PhysRevA.71.050101.
  48. Stanwix, P. L.; Tobar, M. E.; Wolf, P.; Susli, M.; Locke, C. R.; Ivanov, E. N.; Winterflood, J.; van Kann, F.: Test of Lorentz Invariance in Electrodynamics Using Rotating Cryogenic Sapphire Microwave Oscillators. In: Physical Review Letters. 95, Nr. 4, 2005, S. 040404. arXiv:hep-ph/0506074. Bibcode: 2005PhRvL..95d0404S. doi:10.1103/PhysRevLett.95.040404. PMID 16090785.
  49. Herrmann, S.; Senger, A.; Kovalchuk, E.; Müller, H.; Peters, A.: Test of the Isotropy of the Speed of Light Using a Continuously Rotating Optical Resonator. In: Phys. Rev. Lett.. 95, Nr. 15, 2005, S. 150401. arXiv:physics/0508097. Bibcode: 2005PhRvL..95o0401H. doi:10.1103/PhysRevLett.95.150401. PMID 16241700.
  50. Stanwix, P. L.; Tobar, M. E.; Wolf, P.; Locke, C. R.; Ivanov, E. N.: Improved test of Lorentz invariance in electrodynamics using rotating cryogenic sapphire oscillators. In: Physical Review D. 74, Nr. 8, 2006, S. 081101. arXiv:gr-qc/0609072. Bibcode: 2006PhRvD..74h1101S. doi:10.1103/PhysRevD.74.081101.
  51. Müller, H.; Stanwix, Paul L.; Tobar, M. E.; Ivanov, E.; Wolf, P.; Herrmann, S.; Senger, A.; Kovalchuk, E.; Peters, A.: Relativity tests by complementary rotating Michelson-Morley experiments. In: Phys. Rev. Lett.. 99, Nr. 5, 2007, S. 050401. arXiv:0706.2031. Bibcode: 2007PhRvL..99e0401M. doi:10.1103/PhysRevLett.99.050401. PMID 17930733.
  52.  Fresnel, A.: Lettre d’Augustin Fresnel à François Arago sur l’influence du mouvement terrestre dans quelques phénomènes d’optique. In: Annales de chimie et de physique. 9, 1818, S. 57–66.
  53.  Stokes, G. G.: On the Aberration of Light. In: Philosophical Magazine. 27, 1845, S. 9-15.
  54.  Fizeau, H.: Sur les hypothèses relatives à l’éther lumineux, et sur une expérience qui paraît démontrer que le mouvement des corps change la vitesse avec laquelle la lumière se propage dans leur intérieur. In: Comptes Rendus. 33, 1851, S. 349–355.
  55.  Lorentz, H. A.: De l’influence du mouvement de la terre sur les phénomènes lumineux. In: Archives néerlandaises des sciences exactes et naturelles. 21, 1887, S. 103–176.
  56. Staley, Richard: Albert Michelson, the Velocity of Light, and the Ether Drift. In: Einstein's generation. The origins of the relativity revolution. University of Chicago Press, Chicago 2009, ISBN 0-226-77057-5.
  57. Michelson, A. A. and Morley, E. W.: Influence of Motion of the Medium on the Velocity of Light. In: Am. J. Science. 31, 1886, S. 377–386.
  58. Michelson, Albert A. & Morley, Edward W.: On a method of making the wave-length of sodium light the actual and practical standard of length. In: American Journal of Science. 34, 1887, S. 427–430.
  59. Michelson, Albert A. & Morley, Edward W.: On the feasibility of establishing a light-wave as the ultimate standard of length. In: American Journal of Science. 38, 1889, S. 181–186.
  60. Die Gesamtmesszeit betrug nur etwa 5 Stunden. Swenson in Lerner, Trigg The Encyclopedia of Physics, VCH Verlag
  61. Shankland u. a. Reviews Modern Physics 1955 führten dies später auf thermische Fluktuationen zurück
  62. dargestellt in Joos Lehrbuch der Theoretischen Physik

Fußnoten[Bearbeiten]

  1. 1895 führte er allerdings nochmals ein Interferometerexperiment in Chicago aus, um festzustellen, ob sich die „Mitnahmeeffekte“ des Äthers mit der Höhe ändern würden
  2. Außerdem testeten beide die Kontraktionshypothese von Lorentz, indem sie verschiedene Materialien verwendeten

Weblinks[Bearbeiten]

 Commons: Michelson-Morley experiment – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien
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