Konstanz der Lichtgeschwindigkeit (Michelson-Morley-Experiment)
Hallo, als Einstieg in die spezielle Relativitätstheorie beschäftige ich micht gerade mit dem Michelson-Morley-Experiment, das ja dazu dienen sollte, die Existenz eines Äthers, in dem sich - analog zum Schall in der Luft - Licht ausbreiten soll. Trotz des negativen Ergebnisses soll es aber - was ich noch nicht ganz verstehe - ein erster Beweis für die Konstanz der Lichtgeschwindigkeit sein, die Einstein dann..usw. Bei dem Experiment gibt es für mich ein paar Ungereimtheiten für deren Beseitigung ich sehr dankbar wäre.
Erst mal aber eine ganz praktische und vielleicht banale Frage: Die Funktionsweise des Interferometers ist mir natürlich bekannt, aber im Allgemeinen zeigt doch keine (zu dem Boden auf dem ich stehe) Richtung in die Bewegungsrichtung der Erde? Nur, wenn die Erde gerade günstig gedreht ist bzw. ich an einer günstigen Stelle stehe; oder wird das stillschweigend vorausgesetzt?
2 Antworten
Stelle dir vor, es gibt einen Äther, und du kannst ihn spüren, etwa wie du die bewegte Luft spürst, wenn ein Wind weht.
Du mußt dann nicht an einem Ort stehen, der sich genau in Bewegungsrichtung der Erde bewegt, um diesen Ätherwind zu spüren. Genauso kann man auch mit dem Michelson-Morley-Experiment diese Bewegung im Äther immer feststellen, wenn es ihn gibt.
Die Erde dreht sich von West nach Ost. Ungefähr in der Richtung bewegt sie sich auch um die Erde (wegen der Neigung der Erdachse nicht ganz genau, aber das weiß man beim Experiment ja). Nachts addieren sich die Geschwindigkeit der Erdrotation und die der Bewegung der Erde maximal, wenngleich das nicht soo sehr ins Gewicht fällt, da die Rotation der Erde wesentlich langsamer ist als ihre Bewegung (maximal (25/54)km/s am Äquator vs. 30km/s).
Trotz des negativen Ergebnisses soll es aber - was ich noch nicht ganz
verstehe - ein erster Beweis für die Konstanz der Lichtgeschwindigkeit
sein,...
Nicht trotz, sondern wegen. Ein positives Ergebnis hätte bewiesen, dass die Lichtgeschwindigkeit von der Wahl des Bezugssystems abhinge, man also die Bewegung seines eigenen Labors schlechthin oder wenigstens relativ zum Äther durch Messungen der Lichtgeschwindigkeit in verschiedene Richtungen nachweisen könnte.
Die Arme des Interferometers sind ja gleich lang. Jedes Lichtsignal läuft den Arm entlang und dann wieder zurück und interferieren, was ein Interferenzmuster aus Steifen ergibt.Wenn sich das Interferometer bewegt, müsste unter der Prämisse, dass sich die Geschwindigkeiten wie gewohnt vektoriell addierten, der Lichtweg im Längsarm länger sein als im Querarm. Dreht man das Interferometer, so wird der Lichtweg im bisherigen Längsarm kürzer und im Querarm länger, und daher müssten sich auch die Zonen verschieben, in denen der Gangunterschied gerade λ bzw. λ/2 ist, und damit die Streifen, und genau das ist nicht passiert.
man ist doch auf der erde in deren inertialsystem, oder?
Ein Inertialsystem ist keine Kiste, innerhalb oder außerhalb derer man sein könnte. Es ist ein Koordinatensystem, in dem keine Trägheitskräfte auftreten, weil es selbst keiner Beschleunigung unterliegt.
Ein Koordinatensystem Σ kann einen Körper B als ,,Anker" haben. Da dieser in Σ als stationär beschrieben wird, heißt Σ das Ruhesystem von B (nicht ,,das Inertialsystem von B" oder ,,das Bezugssystem von B").
Ein Koordinatensystem mit der Erde als Anker ist niemals ein Inertialsystem, da die Erde physikalisch nachweisbare beschleunigte Bewegungen ausführt. Das macht sich z.B. durch CORIOLIS-Kräfte bemerkbar.
natürlich hat da licht in jede richtung dieselbe geschwindigkeit
Das ist nach der alten Ätherhypothese nicht so, ähnlich wie auf dem Dach eines fahrenden Autos Schall nach hinten schneller unterwegs ist als nach vorn.
Man könnte - laut alter Ätherhypothese - immerhin so etwas wie die durchschnittliche Lichtgeschwindigkeit bestimmen, und das wäre dann das Tempo der Lichtausbreitung relativ zum Äther. Zugleich könnte man so die Bewegung der Erde relativ zum Äther bestimmen.
Um interferometrosch die Bewegung der Erde relativ zum Äther nachzuweisen, müsste man die Lichtgeschwindigkeit gar nicht genau kennen, sondern lediglich einen Gangunterschied zwischen Lichtstrahlverläufen in zwei gleich langen, zueinander senkrechten Armen eines Interferometers und dessen Veränderung bei Drehung der Apparatur beobachten.
Genau das hat man gemacht, mit negativem Ausgang. Damit war die Idee vom Tisch. Die alte Äthertheorie konnte nicht stimmen, das Relativitätsprinzip von GALILEI musste auch für die Elektrodynamik (Licht besteht aus elektromagnetischen Wellen) gelten, (zumindest scheinbar, indem der Äther durch Beeinflussung räumlicher und zeitlicher Abmessungen seinen Bewegungszustand verschleiert).
aber kann das so überhaupt bewiesen werden, man ist doch auf der erde in deren inertialsystem, oder? natürlich hat da licht in jede richtung dieselbe geschwindigkeit, man müsste also das ganze ausserhalb der erde betrachten, stimmt das?