Gibt es "absolute Ruhe"?

Zwei Beobachter mögen sich gleichförmig geradlinig zueinander bewegen; jeder behaupte, er ruhe. Eine Entscheidung könnte durch Experimente gefällt werden. Stellen Sie sich möglichst viele solcher Experimente und ihren Ausgang vor, wie das schon Galilei tat. Er erkannte, daß mindestens alle mechanischen Experimente in beiden Systemen völlig gleich verlaufen müssen. Der Grund ist ganz allgemein: Alle Mechanik ist aus den Newtonschen Axiomen ableitbar, und diese reden überhaupt nicht von Geschwindigkeit. Von Beschleunigung reden sie, und deshalb ist sehr wohl feststellbar, ob jemand beschleunigt wird. Das zeigt sich durch das Auftreten von Trägheitskräften. Wo Geschwindigkeiten eine Rolle spielen, etwa wo Kräfte wie Luftwiderstand oder Reibung davon abhängen, handelt es sich immer um Relativgeschwindigkeiten zwischen zwei Körpern. Ob der Wind "von selbst weht" oder ob er ein Fahrtwind ist, spielt fur die Wechselwirkung mit ihm keine Rolle. Analog ist es beim Doppler-Effekt in der Akustik, wobei allerdings die Relativbewegungen von drei Körpern, der Quelle, des Empfängers und der Luft, zu beachten sind.

Ob optische und elektromagnetische Experimente ebenso unfähig sind, etwas über die absolute Bewegung des Systems
auszusagen, in dem sie sich abspielen, war anfangs nicht so sicher. Bis 1900 zweifelte kaum jemand, daß sich das Licht ähnlich dem Schall in einem materiellen Träger ausbreitet, dem Äther - "wenn Licht Schwingungen darstellt, muß doch etwas da sein, was schwingt". Dieser Äther mußte eine unvorstellbar geringe Dichte haben, dabei aber hochelastisch sein, vor allem aber die ganze Welt mit Ausnahme vielleicht der völlig undurchsichtigen Körper erfüllen. Infolge dieser Allgegenwart würde er aber ein "absolut ruhendes" System definieren, nämlich dasjenige, in dem er selbst ruht. "Absolute Bewegung", also Bewegung gegen den Äther, ließe sich dann durch optische Experimente nachweisen.

Der Michelson-Versuch

wenn beide mit der Geschwindigkeit c schwimmen (relativ zum Wasser!) und der Fluß mit v strömt. Ersetzt man die Schwimmer durch zwei Lichtstrahlen, das Wasser durch den Äther und das Ufer durch die Erde (oder das Labor), so hat man offenbar eine völlige Analogie. Messung der Zeitdifferenz würde Bestimmung der Geschwindigkeit v gestatten, mit der der Äther an der Erde vorbei oder diese durch den Äther streicht. Da die Erde an zwei gegenüberliegenden Punkten ihrer Bahn um die Sonne bestimmt verschiedene Geschwindigkeiten hat (Unterschied 60 km/s), müßte mindestens entweder im Sommer oder im Winter eine solche Zeitdifferenz auftreten. Zeitdifferenzen der fraglichen Größenordnung sind mit optischen Mitteln völlig sicher meßbar, und zwar als Gangunterschiede auf einem Interferenzschirm. Das Experiment verläuft so, daß man einen Lichtstrahl mittels eines halbdurchlässigen Spiegels in zwei kohärente senkrecht zueinander laufende Strahlen teilt und diese, ganz nach dem Vorbild der beiden Schwimmer, in sich selbst zurückspiegelt und auf einem Punkt des Interferenzschirmes wieder vereinigt.

Abb.: Michelsoninterferometer

Eine "Armlänge" von 25m ergäbe so einen Gangunterschied von einer halben Wellenlänge grünen Lichts (500 nm) zwischen den beiden Teilstrahlen, der sich dadurch deutlich machen würde, daß sich deren Intensitäten "weginterferieren". Es trat aber nichts dergleichen ein, weder im Sommer noch im Winter. Dieses negative Ergebnis gehört zu den meistdiskutierten und bestbestätigten der ganzen Physik.

Es hat nicht an Versuchen gefehlt, den negativen Ausgang des Michelson-Versuches durch Hilfshypothesen zu erklären. Wenn z.B. die Ausbreitung des Lichts durch die Bewegung seiner Quelle bestimmt würde (wie dies der Newtonschen Kor
puskularhypothese entspräche, die allerdings eigentlich einen Verzicht auf den Äther impliziert), wäre fur eine irdische Quelle kein Effekt zu erwarten. Man hat den Michelson-Versuch auch mit Sternlicht ausgefuhrt, mit dem gleichen negativen Ergebnis.Wichtig ist ferner die "Mitführungshypothese". Wenn der Äther in der Nähe der Erde durch diese oder durch die Atmosphäre mitgerissen würde, ließe sich natürlich keine Relativbewegung zwischen Labor und Äther nachweisen. Daß die Luft den Äther mitführen könnte, wird durch den Versuch von Fizeau widerlegt. Dabei wird die Lichtgeschwindigkeit in strömenden Flüssigkeiten gemessen. Es zeigt sich (vom Ätherstandpunkt beschrieben), daß die Körper zwar den Äther mitführen, aber nur unvollständig, und um so besser, je größer ihre Brechzahl ist. Luft mit ihrer Brechzahl nahe 1 bringt keine merkliche Mitführung zustande.

Ein anderer Erklärungsversuch stammt von Lorentz und Fitzgerald. Er besagt, daß die erwartete Zeitdifferenz zwischen den Laufzeiten in den beiden Armen des Interferometers genau dadurch kompensiert wird, daß der Arm, der in Richtung des "Ätherwindes" steht und daher die längere Laufzeit liefern sollte, gerade um einen entsprechenden Betrag verkürzt wird, und zwar infolge Stellung zum Ätherwind. Beim Schwenken des Apparats soll diese Verkürzung auf den anderen Arm übergehen. Das klingt zunächst völlig "ad hoc" spekuliert, aber Lorentz konnte tatsächlich zeigen, daß sich ein System elektrischer Ladungen unter gewissen Voraussetzungen genau so verhält, nämlich in Bewegungsrichtung um genau den fraglichen Betrag verkürzt. Es war daher nur die recht plausible Annahme nötig, alle Materie bestehe letzten Endes aus elektrischen Ladungen, um dieses Verhalten für sämtliche Maßstäbe postulieren zu können. Allerdings wird man dabei eine mißtrauische Verwunderung nicht los, daß die Natur zu so "üblen Tricks" greifen sollte, um uns die Wahrheit über unseren absoluten Bewegungszustand vorzuenthalten.
 

Das Realtivitätsprinzip

l. Das Relativitätsprinzip. Es gibt kein Mittel, absolute Geschwindigkeit zu messen.

2. Die Lichtgeschwindigkeit ist unabhängig von der Bewegung der Lichtquelle.

Die Fülle der Folgerungen, die sich bei konsequentem Weiterdenken aus diesen einfachen Prämissen ergibt, ist gewaltig. Die ganze spezielle Relativitätstheorie gehört dazu.