Michelson–Morley–Experiment

Beobachter ruht im Ätheredit

Erwartete differentielle Phasenverschiebung zwischen Licht, das den longitudinalen und den transversalen Armen des Michelson-Morley-Apparats durchläuft

Die in Längsrichtung lässt sich wie folgt ableiten: Licht wird von der Quelle ausgesandt und breitet sich mit der Lichtgeschwindigkeit c {\textstyle c}

{\textstyle c}

im Äther aus. Es passiert den halb versilberten Spiegel am Ursprung bei T = 0 {\textstyle T=0}

{\textstyle T=0}

. Der reflektierende Spiegel befindet sich in diesem Moment im Abstand L {\textstyle L}

{\textstyle L}

(die Länge des Interferometerarms) und bewegt sich mit der Geschwindigkeit v {\textstyle v}

{\textstyle v}

. Der Strahl trifft zum Zeitpunkt T 1 {\textstyle T_{1}}

{\textstyle T_{1}}

auf den Spiegel und legt somit die Strecke c T 1 {\textstyle cT_{1}}

{\textstyle cT_{1}}

zurück. Zu diesem Zeitpunkt hat der Spiegel die Strecke v T 1 {\textstyle vT_{1}}

{\textstyle vT_{1}}

zurückgelegt. Thus c T 1 = L + v T 1 {\textstyle cT_{1}=L+vT_{1}}

{\textstyle cT_{1}=L+vT_{1}}

and consequently the travel time T 1 = L / ( c − v ) {\textstyle T_{1}=L/(c-v)}

{\textstyle T_{1}=L/(c-v)}

. Die gleiche Überlegung gilt für die Funktion und Blutdrucksenkung Reise, mit dem Vorzeichen von v {\textstyle v}

{\textstyle v}

umgekehrt, was zu c T 2 = L − v T 2 {\textstyle cT_{2}=L-vT_{2}}

{\textstyle cT_{2}=L-vT_{2 }}

und T 2 = L / ( c + v ) {\textstyle T_{2}=L/(c+v)}

{\textstyle T_{2}=L/(c+v)}

. Die Gesamtfahrzeit T ℓ = T 1 + T 2 {\textstyle T_{\ell }=T_{1}+T_{2}}

{\textstyle T_{\ell }=T_{1}+T_{2}}

ist: T ℓ = L c − v + L c + v = 2 L c 1 1 − v 2 c 2 ≈ 2 L c ( 1 + v 2 c 2 ) {\displaystyle T_{\ell }={\frac {L}{c-v}}+{\frac {L}{c+v}}={\frac {2L}{c}}{\frac {1}{1-{\frac {v^{2}}{c^{2}}}}}\ 2L}{c}}\links(1+{\frac {v^{2}}{c^{2}}}\rechts)}

{\displaystyle T_{\ell }={\frac {L}{c-v}}+{\frac {L}{c+v}}={\frac {2L}{c}}{\frac {1}{1-{\frac {v^{2 }}{c^{2}}}}}\approx {\frac {2L}{c}}\left(1+{\frac {v^{2}}{c^{2}}}\right)}

Michelson erhielt diesen Ausdruck 1881 korrekt, in Querrichtung erhielt er jedoch den falschen Ausdruck

T t = 2 L c , {\displaystyle T_{t}={\frac {2L}{c}},}

{\displaystyle T_{t}={\frac {2L}{c}},}

weil er die erhöhte Pfadlänge im Ruhe-Frame des Äthers übersehen hat. Dies wurde von Alfred Potier (1882) und Hendrik Lorentz (1886) korrigiert. Die Ableitung in Querrichtung kann wie folgt gegeben sein (analog zur Ableitung der Zeitdilatation mittels einer Lichtuhr): Der Strahl breitet sich mit der Lichtgeschwindigkeit c {\textstyle c}

{\textstyle c}

aus und trifft zum Zeitpunkt T 3 {\textstyle T_{3}}

{\textstyle T_{3}}

auf den Spiegel, wobei er die Entfernung c T 3 {\textstyle cT_{3} }

{\textstyle cT_{3}}

. Gleichzeitig hat der Spiegel die Strecke v T 3 {\textstyle vT_{3}}

{\textstyle vT_{3}}

in x-Richtung zurückgelegt. Um also auf den Spiegel zu treffen, ist der Weg des Strahls L {\textstyle L}

{\textstyle L}

in y-Richtung (bei gleich langen Armen) und v T 3 {\textstyle vT_{3}}

{\textstyle vT_{3}}

in x-Richtung. Dieser geneigte Verfahrweg ergibt sich aus der Transformation vom Interferometer-Auflagerahmen zum Äther-Auflagerahmen. Daher gibt der Satz des Pythagoras den tatsächlichen Strahlweg von L 2 + (v T 3 ) 2 {\textstyle {\sqrt {L^{2}+\left(vT_{3}\right)^{2}}}}

{\textstyle {\sqrt {L^{2}+\left(vT_{3}\right)^{2}}}}

. Also c T 3 = L 2 + (v T 3 ) 2 {\textstyle cT_{3}={\sqrt {L^{2}+\left(vT_{3}\right)^{2}}}}

{\textstyle cT_{3}={\sqrt {L^{2}+\left(vT_{3}\right)^{2}}}}

und folglich die Fahrzeit T3 = L/c2 − v2 {\textstyle T_{3}=L/{\sqrt {c^{2}-v^{2}}}}

{\textstyle T_{3}=L/{\sqrt {c^{2}-v^{2}}}}

, die für die Rückwärtsfahrt gleich ist. Die Gesamtlaufzeit T t = 2 T 3 {\textstyle T_{t}=2T_{3}}

{\textstyle T_{t}=2T_{3}}

beträgt: T t = 2 L c 2 – v 2 = 2 L c 1 1 − v 2 c 2 ≈ 2 L c ( 1 + v 2 2 c 2 ) {\displaystyle T_{t}={\frac {2L}{\sqrt {c^{2}-v^{2}}}}={\ frac {2L}{c}}{\frac {1}{\sqrt {1-{\frac {v^{2}}{c^{2}}}}}}\ ungefähr {\frac {2L}{c}}\links(1+{\frac {v^{2}}{2c^{2}}}\rechts)}

{\displaystyle T_{t}={\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 Zeitdifferenz zwischen Tℓ und Tt ist gegeben durch

T ℓ – T t = 2 L c ( 1 1 − v 2 c 2 − 1 1 − v 2 c 2 ) {\displaystyle T_{\ell }-T_{t}={\frac {2L}{c}}\links({\frac {1}{1-{\frac {v^{2}}{c^{2}}}}}-{\ frac {1}{\sqrt {1-{\frac {v^{2}}{c^{2}}}}}}\ rechts)}

{\displaystyle T_{\ell }-T_{t}={\frac {2L}{c}}\links({\frac {1}{1-{\frac {v^{2}}{c^{2}}}}}-{\ frac {1}{\sqrt {1-{\frac {v^{2}}{c^{2}}}}}}\ right)}

Um den Pfadunterschied zu finden, multiplizieren Sie einfach mit c;

Δ λ 1 = 2 L (1 1 – v 2 c 2 − 1 1 − v 2 c 2 ) {\displaystyle \Delta {\lambda }_{1}=2L\links({\frac {1}{1-{\frac {v^{2}}{c^{2}}}}}-{\ frac {1}{\sqrt {1-{\frac {v^{2}}{c^{2}}}}}}\ rechts)}

{\displaystyle \Delta {\lambda }_{1}=2L\links({\frac {1}{1-{\frac {v^{2}}{c^{2}}}}}-{\ frac {1}{\sqrt {1-{\frac {v^{2}}{c^{2}}}}}}\ right)}

Die Wegdifferenz wird mit Δλ bezeichnet, da die Strahlen um einige Wellenlängen (λ) phasenverschoben sind. Um dies zu visualisieren, sollten Sie die beiden Strahlengänge entlang der Längs- und Querebene nehmen und sie gerade liegen lassen (eine Animation davon wird in Minute 11:00, The Mechanical Universe, Episode 41 gezeigt ). Ein Pfad ist länger als der andere, dieser Abstand beträgt Δλ. Betrachten Sie alternativ die Umlagerung der Lichtgeschwindigkeitsformel c Δ T = Δ λ {\displaystyle c{\Delta }T=\Delta \lambda }

{\displaystyle c{\Delta }T=\Delta \lambda }

.

Wenn die Relation v 2 /c 2 << 1 {\displaystyle {v^{2}}/{c^{2}}<<1}

{\displaystyle {v^{2}}/{c^{2}}1}

wahr ist (wenn die Geschwindigkeit des Äthers relativ zur Lichtgeschwindigkeit klein ist), kann der Ausdruck durch eine Binomialerweiterung erster Ordnung vereinfacht werden;

(1 – x ) n ≈ 1 – n x {\displaystyle (1-x)^{n}\approx {1-nx}}

{\displaystyle (1-x)^{n}\approx {1-nx}}

Schreiben Sie also das Obige in Bezug auf die Potenzen;

Δ λ 1 = 2 L ( ( 1 − v 2 c 2 ) − 1 − ( 1 − v 2 c 2 ) − 1/2 ) {\displaystyle \Delta {\lambda }_{1}=2L\links(\links({1-{\frac {v^{2}}{c^{2}}}}\rechts)^{-1}-\links(1-{\frac {v^{2}}{c^{2}}}\rechts)^{-1/2 {\right)}

{\displaystyle \Delta {\lambda }_{1}=2L\links(\links({1-{\frac {v^{2}}{c^{2}}}}\rechts)^{-1}-\links(1-{\frac {v^{2}}{c^{2}}}\rechts)^{-1/2}\rechts)}

Binomialvereinfachung anwenden;

Δ λ 1 = 2 L ( ( 1 + v 2 c 2 ) − ( 1 + v 2 2 c 2 ) = 2 L v 2 2 c 2 {\displaystyle \Delta {\lambda }_{1}=2 L\links((1+{\frac {v^{2}}{c^{2}}})-(1+{\ frac {v^{2}}{2c^{2}}}\rechts)={2L}{\frac {v^{2}}{2c^{2}}}}

{\displaystyle \Delta {\lambda }_{1}=2L\links((1+{\frac {v^{2}}{c^{2}}})-(1+{\ frac {v^{2}}{2c^{2}}}\rechts)={2L}{\frac {v^{2}}{2c^{2}}}}

Daher;

Δ λ 1 = L v 2 c 2 {\displaystyle \Delta {\lambda }_{1}={L}{\frac {v^{2}}{c^{2}}}}

{\displaystyle \Delta {\lambda }_{1}={L}{\frac {v^{2}}{c^{2}}}}

us dieser Ableitung ist ersichtlich, dass sich Ätherwind als Wegdifferenz manifestiert. Diese Ableitung trifft zu, wenn das Experiment um einen Faktor von 90 ° in Bezug auf den Ätherwind ausgerichtet ist. Wenn die Wegdifferenz eine vollständige Anzahl von Wellenlängen beträgt, wird konstruktive Interferenz beobachtet (der zentrale Rand ist weiß). Wenn die Wegdifferenz eine volle Anzahl von Wellenlängen plus eine Hälfte beträgt, wird eine dekonstruktive Interferenz beobachtet (der zentrale Rand ist schwarz).

Um die Existenz des Äthers zu beweisen, suchten Michaelson und Morley nach der „Randverschiebung“. Die Idee war einfach, die Ränder des Interferenzmusters sollten sich verschieben, wenn sie um 90 ° gedreht werden, da die beiden Strahlen ihre Rollen getauscht haben. Um die Streifenverschiebung zu ermitteln, subtrahieren Sie die Wegdifferenz in der ersten Orientierung durch die Wegdifferenz in der zweiten Orientierung und dividieren Sie dann durch die Wellenlänge λ des Lichts;

n = Δ λ 1 − Δ λ 2 λ ≈ 2 L v 2 λ c 2 . {\displaystyle n={\frac {\Delta \lambda _{1}-\Delta \lambda _{2}}{\lambda }}\ungefähr {\frac {2Lv^{2}}{\lambda c^{2}}}.}

{\displaystyle n={\frac {\Delta \lambda _{1}-\Delta \lambda _{2}}{\lambda }}\ca. {\frac {2Lv^{2}}{\lambda c^{2}}}.}

Beachten Sie den Unterschied zwischen Δλ, das eine Anzahl von Wellenlängen ist, und λ, das eine einzelne Wellenlänge ist. Wie aus dieser Beziehung ersichtlich ist, ist die Randverschiebung n eine einheitslose Größe.

Seit L ≈ 11 Meter und λ≈500 Nanometer betrug die erwartete Randverschiebung n ≈ 0,44. Das negative Ergebnis führte Michelson zu dem Schluss, dass es keine messbare Ätherdrift gibt. Er akzeptierte dies jedoch nie auf persönlicher Ebene, und das negative Ergebnis verfolgte ihn für den Rest seines Lebens (Quelle; Das mechanische Universum, Folge 41).

Beobachter bewegt sich mit dem interferometerEdit

Wenn die gleiche Situation aus der Sicht eines Beobachters beschrieben wird, der sich mit dem Interferometer mitbewegt, dann ist der Effekt des Ätherwindes ähnlich dem Effekt, den ein Schwimmer erlebt, der versucht, sich mit der Geschwindigkeit c {\textstyle c}

{\textstyle c}

gegen einen Fluss zu bewegen, der mit textstyle v}

{\textstyle v}

.

In Längsrichtung bewegt sich der Schwimmer zuerst stromaufwärts, so dass seine Geschwindigkeit durch den Flussfluss nach c − v verringert wird {\textstyle c-v}

{\textstyle c-v}

. Auf seinem Rückweg stromabwärts wird seine Geschwindigkeit auf c+ v erhöht {\textstyle c+v}

{\textstyle c+v}

. Dies ergibt die Strahllaufzeiten T 1 {\textstyle T_{1}}

{\textstyle T_{1}}

und T 2 {\textstyle T_{2}}

{\textstyle T_{2}}

wie oben erwähnt.

In Querrichtung muss der Schwimmer den Flussfluss kompensieren, indem er sich in einem bestimmten Winkel gegen die Strömungsrichtung bewegt, um seine genaue Querbewegungsrichtung aufrechtzuerhalten und die andere Seite des Flusses an der richtigen Stelle zu erreichen. Dies verringert seine Geschwindigkeit auf c 2 − v 2 {\textstyle {\sqrt {c^{2}-v^{2}}}}

{\textstyle {\sqrt {c^{2}-v^{2}}}}

und ergibt die Strahllaufzeit T 3 {\textstyle T_{3}}

{\textstyle T_{3}}

wie oben erwähnt.

Spiegelreflexionbearbeiten

Die klassische Analyse sagte eine relative Phasenverschiebung zwischen den Längs- und Querstrahlen voraus, die in Michelson und Morleys Apparat leicht messbar gewesen sein sollte. Was nicht oft geschätzt wird (da es keine Möglichkeit gab, es zu messen), ist, dass die Bewegung durch den hypothetischen Äther auch dazu geführt haben sollte, dass die beiden Strahlen beim Austritt aus dem Interferometer um etwa 10-8 Radiant auseinander gingen.

Für eine Vorrichtung in Bewegung erfordert die klassische Analyse, dass der Strahlteilerspiegel um exakt 45° leicht versetzt ist, wenn Längs- und Querstrahl exakt überlagert aus der Vorrichtung austreten sollen. In der relativistischen Analyse bewirkt die Lorentz-Kontraktion des Strahlteilers in Bewegungsrichtung, dass er um genau den Betrag senkrechter wird, der erforderlich ist, um die Winkeldiskrepanz der beiden Strahlen auszugleichen.

Längenkontraktion und Lorentz-Transformationbearbeiten

Weitere Informationen: Geschichte der speziellen Relativitätstheorie und Geschichte der Lorentz-Transformationen

Ein erster Schritt zur Erklärung des Null–Ergebnisses des Michelson- und Morley-Experiments wurde in der FitzGerald-Lorentz-Kontraktionshypothese gefunden, die heute einfach als Längenkontraktion oder Lorentz-Kontraktion bezeichnet wird und erstmals von George FitzGerald (1889) und Hendrik Lorentz (1892) vorgeschlagen wurde. Nach diesem Gesetz kontrahieren alle Objekte physikalisch um L / γ {\textstyle L/\gamma }

{\textstyle L/\gamma }

entlang der Bewegungslinie (ursprünglich als relativ zum Äther gedacht), γ = 1 / 1 − v 2 / c 2 {\textstyle \gamma =1/{\sqrt {1-v^{2}/c^{2}}}}

{\textstyle \gamma =1/{\sqrt {1-v^{2}/c^{2}}}}

ist der Lorentz-Faktor. Diese Hypothese wurde teilweise durch Oliver Heavisides Entdeckung im Jahr 1888 motiviert, dass sich elektrostatische Felder in der Bewegungslinie zusammenziehen. Da es zu dieser Zeit jedoch keinen Grund gab anzunehmen, dass die Bindungskräfte in der Materie elektrischen Ursprungs sind, wurde die Kontraktion der sich bewegenden Materie in Bezug auf den Äther als Ad-hoc-Hypothese angesehen.

Wenn die Längenkontraktion von L {\textstyle L}

{\textstyle L}

in die obige Formel für T inserted {\textstyle T_{\ell }}

{\textstyle T_{\ell }}

eingefügt wird, dann wird die Lichtlaufzeit in Längsrichtung gleich der in Querrichtung: T ℓ = 2 L 1 − v 2 c 2 c 1 1 – v 2 c 2 = 2 L c 1 1 – v 2 c 2 = T t {\displaystyle T_{\ell }={\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_{t}}

{\displaystyle T_{\ell }={\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_{t}}

Die Längenkontraktion ist jedoch nur ein Sonderfall der allgemeineren Beziehung, nach der die Querlänge größer als die Längslänge um das Verhältnis γ {\textstyle \gamma }

{\textstyle \gamma }

. Dies kann auf viele Arten erreicht werden. Wenn L 1 {\textstyle L_{1}}

{\textstyle L_{1}}

die sich bewegende Längslänge und L 2 {\textstyle L_{2}}

{\textstyle L_{2}}

die sich bewegende Querlänge ist, ist L 1 ‚ = L 2 ‚ {\textstyle L’_ {1}=L’_{2}}

{\textstyle L'_{1}=L'_{2}}'_{1}=L'_{2}}

Da es sich um die Restlängen handelt, ist es gegeben: L 2 L 1 = L 2 ‚ φ / L 1 ‚ γ φ = γ . {\displaystyle {\frac {L_{2}}{L_{1}}}={\frac {L’_{2}}{\varphi }}\links/{\frac {L’_{1}}{\gamma \varphi }}\rechts.=\Gammastrahlung .}

{\displaystyle {\frac {L_{2}}{L_{1}}}={\frac {L'_{2}}{\varphi }}\links/{\frac {L'_{1}}{\gamma \varphi }}\rechts.=\Gammastrahlung .}'_{2}}{\varphi }}\left/{\frac {L'_{1}}{\gamma \varphi }}\right.=\gamma .}

φ {\textstyle \varphi }

{\textstyle \varphi }

beliebig gewählt werden kann, so dass es unendlich viele Kombinationen gibt, um das Michelson–Morley-Null-Ergebnis zu erklären. For instance, if φ = 1 {\textstyle \varphi =1}

{\textstyle \varphi =1}

the relativistic value of length contraction of L 1 {\textstyle L_{1}}

{\textstyle L_{1}}

occurs, but if φ = 1 / γ {\textstyle \varphi =1/\gamma }

{\textstyle \varphi =1/\gamma }

then no length contraction but an elongation of L 2 {\textstyle L_{2}}

{\textstyle L_{2}}

occurs. Diese Hypothese wurde später von Joseph Larmor (1897), Lorentz (1904) und Henri Poincaré (1905) erweitert, der die vollständige Lorentz–Transformation einschließlich der Zeitdilatation entwickelte, um das Trouton-Noble-Experiment, die Experimente von Rayleigh und Brace und Kaufmanns Experimente zu erklären. Es hat die Form x ‚ = γ φ ( x − v t ) , y ‚ = φ y , z ‚ = φ z , t ‚ = γ φ (t − v x c 2 ) {\displaystyle x’=\gamma \varphi (x-vt),\ y’=\varphi y,\ z’=\varphi z,\ t’=\gamma \varphi \left(t-{\frac {vx}{c^{2}}}\right)}

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

Es blieb übrig, den Wert von φ {\displaystyle \varphi }

{\textstyle \varphi }

, die von Lorentz (1904) als Einheit dargestellt wurde. Im Allgemeinen zeigte Poincaré (1905), dass nur φ = 1 {\textstyle \varphi =1}

{\textstyle \varphi =1}

diese Transformation erlaubt, eine Gruppe zu bilden, so dass es die einzige Wahl ist, die mit dem Relativitätsprinzip kompatibel ist, dh den stationären Äther nicht nachweisbar macht. Vor diesem Hintergrund erhalten Längenkontraktion und Zeitdilatation ihre genauen relativistischen Werte.

Spezielle Relativitätbearbeiten

Albert Einstein formulierte 1905 die spezielle Relativitätstheorie, indem er die Lorentz-Transformation und damit die Längenkontraktion und Zeitdilatation aus dem Relativitätspostulatund der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit ableitete und so den Ad-hoc-Charakter aus der Kontraktionshypothese entfernte. Einstein betonte die kinematische Grundlage der Theorie und die Modifikation des Begriffs von Raum und Zeit, wobei der stationäre Äther in seiner Theorie keine Rolle mehr spielte. Er wies auch auf den Gruppencharakter der Transformation hin. Einstein war motiviert durch Maxwells Theorie des Elektromagnetismus (in der Form, wie sie 1895 von Lorentz gegeben wurde) und den Mangel an Beweisen für den leuchtenden Äther.

Dies ermöglicht eine elegantere und intuitivere Erklärung des Michelson–Morley-Null-Ergebnisses. Bei einem Comoving Frame ist das Null-Ergebnis selbstverständlich, da die Vorrichtung nach dem Relativitätsprinzip als ruhend betrachtet werden kann, also die Strahllaufzeiten gleich sind. In einem Rahmen, relativ zu dem sich die Vorrichtung bewegt, gilt die gleiche Argumentation wie oben in „Längenkontraktion und Lorentz-Transformation“ beschrieben, mit der Ausnahme, dass das Wort „Äther“ durch „nicht beweglicher Trägheitsrahmen“ ersetzt werden muss. Einstein schrieb 1916:

Obwohl der geschätzte Unterschied zwischen diesen beiden Zeiten äußerst gering ist, führten Michelson und Morley ein Experiment mit Interferenz durch, bei dem dieser Unterschied eindeutig nachweisbar gewesen sein sollte. Aber das Experiment ergab ein negatives Ergebnis – eine Tatsache, die Physiker sehr verwirrt. Lorentz und FitzGerald retteten die Theorie vor dieser Schwierigkeit, indem sie annahmen, dass die Bewegung des Körpers relativ zum æther eine Kontraktion des Körpers in Bewegungsrichtung hervorruft, wobei die Kontraktion gerade ausreicht, um den oben erwähnten Zeitunterschied auszugleichen. Der Vergleich mit der Diskussion in Abschnitt 11 zeigt, daß auch vom Standpunkt der Relativitätstheorie diese Lösung der Schwierigkeit die richtige war. Aber auf der Grundlage der Relativitätstheorie ist die Interpretationsmethode unvergleichlich zufriedenstellender. Nach dieser Theorie gibt es kein „besonders bevorzugtes“ (einzigartiges) Koordinatensystem, um die Einführung der æther-Idee zu veranlassen, und daher kann es keine æther-Drift geben, noch irgendein Experiment, mit dem es demonstriert werden kann. Hier folgt die Kontraktion bewegter Körper aus den beiden Grundprinzipien der Theorie, ohne dass bestimmte Hypothesen eingeführt werden; und als Hauptfaktor dieser Kontraktion finden wir nicht die Bewegung an sich, der wir keine Bedeutung beimessen können, sondern die Bewegung in Bezug auf den im Einzelfall gewählten Bezugskörper. So ist für ein Koordinatensystem, das sich mit der Erde bewegt, das Spiegelsystem von Michelson und Morley nicht verkürzt, aber es ist verkürzt für ein Koordinatensystem, das relativ zur Sonne ruht.

— Albert Einstein, 1916

Inwieweit das Null–Ergebnis des Michelson-Morley-Experiments Einstein beeinflusst hat, ist umstritten. In Anspielung auf einige Aussagen Einsteins argumentieren viele Historiker, dass es auf seinem Weg zur speziellen Relativitätstheorie keine bedeutende Rolle spielte, während andere Aussagen Einsteins wahrscheinlich darauf hindeuten, dass er davon beeinflusst wurde. In jedem Fall hat das Null–Ergebnis des Michelson-Morley-Experiments dazu beigetragen, dass der Begriff der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit weit verbreitet und schnell akzeptiert wurde.Es wurde später von Howard Percy Robertson (1949) und anderen gezeigt (siehe Robertson–Mansouri–Sexl-Testtheorie), dass es möglich ist, die Lorentz-Transformation vollständig aus der Kombination von drei Experimenten abzuleiten. Erstens zeigte das Michelson-Morley-Experiment, dass die Lichtgeschwindigkeit unabhängig von der Ausrichtung der Vorrichtung ist, wodurch die Beziehung zwischen longitudinalen (β) und transversalen (δ) Längen hergestellt wird. 1932 modifizierten Roy Kennedy und Edward Thorndike das Michelson–Morley-Experiment, indem sie die Weglängen des geteilten Strahls ungleich machten, wobei ein Arm sehr kurz war. Das Kennedy-Thorndike-Experiment fand viele Monate lang statt, als sich die Erde um die Sonne bewegte. Ihr negatives Ergebnis zeigte, dass die Lichtgeschwindigkeit unabhängig von der Geschwindigkeit der Vorrichtung in verschiedenen Trägheitsrahmen ist. Außerdem wurde festgestellt, dass neben Längenänderungen auch entsprechende Zeitänderungen auftreten müssen, d. h. Es wurde der Zusammenhang zwischen Längslängen (β) und Zeitänderungen (α) hergestellt. Beide Experimente liefern also nicht die einzelnen Werte dieser Größen. Diese Unsicherheit entspricht dem undefinierten Faktor φ {\textstyle\varphi }

{\textstyle\varphi }

wie oben beschrieben. Aus theoretischen Gründen (dem vom Relativitätsprinzip geforderten Gruppencharakter der Lorentz-Transformation) war klar, dass die einzelnen Werte der Längenkontraktion und Zeitdilatation ihre exakte relativistische Form annehmen müssen. Eine direkte Messung einer dieser Größen war jedoch immer noch wünschenswert, um die theoretischen Ergebnisse zu bestätigen. Dies wurde durch das Ives–Stilwell-Experiment (1938) erreicht, bei dem α entsprechend der Zeitdilatation gemessen wurde. Die Kombination dieses Wertes für α mit dem Kennedy–Thorndike-Null-Ergebnis zeigt, dass β den Wert der relativistischen Längenkontraktion annehmen muss. Die Kombination von β mit dem Michelson–Morley-Null-Ergebnis zeigt, dass δ Null sein muss. Daher ist die Lorentz-Transformation mit φ = 1 {\textstyle \varphi =1}

{\textstyle \varphi =1}

eine unvermeidliche Folge der Kombination dieser drei Experimente. Die spezielle Relativitätstheorie wird allgemein als Lösung für alle negativen Ätherdriftmessungen (oder Isotropie der Lichtgeschwindigkeit) angesehen, einschließlich des Michelson–Morley-Nullergebnisses. Viele hochpräzise Messungen wurden als Tests der speziellen Relativitätstheorie und moderne Suchen nach Lorentz-Verletzung im Photonen-, Elektronen-, Nukleon- oder Neutrinosektor durchgeführt, die alle die Relativitätstheorie bestätigen.

Falsche Alternativebearbeiten

Wie oben erwähnt, glaubte Michelson zunächst, dass sein Experiment Stokes ‚Theorie bestätigen würde, wonach der Äther vollständig in die Nähe der Erde gezogen wurde (siehe Äther-Drag-Hypothese). Der vollständige Ätherwiderstand widerspricht jedoch der beobachteten Aberration des Lichts und wurde auch von anderen Experimenten widerlegt. Darüber hinaus zeigte Lorentz 1886, dass Stokes ‚Versuch, Aberration zu erklären, widersprüchlich ist.Darüber hinaus war die Annahme, dass der Äther nicht in der Nähe, sondern nur in der Materie getragen wird, sehr problematisch, wie das Hammar-Experiment (1935) zeigte. Hammar richtete ein Bein seines Interferometers durch ein schweres Metallrohr, das mit Blei verstopft war. Wenn Äther durch Masse gezogen wurde, wurde theoretisiert, dass die Masse des versiegelten Metallrohrs ausgereicht hätte, um einen sichtbaren Effekt zu verursachen. Wieder einmal wurde kein Effekt gesehen, so dass Äther-Drag-Theorien als widerlegt gelten.

Walther Ritz ‚Emissionstheorie (oder ballistische Theorie) stimmte ebenfalls mit den Ergebnissen des Experiments überein und erforderte keinen Äther. Die Theorie postuliert, dass Licht immer die gleiche Geschwindigkeit in Bezug auf die Quelle hat. De Sitter bemerkte jedoch, dass die Emittertheorie mehrere optische Effekte vorhersagte, die bei Beobachtungen von Doppelsternen, bei denen das Licht der beiden Sterne in einem Spektrometer gemessen werden konnte, nicht beobachtet wurden. Wenn die Emissionstheorie richtig wäre, sollte das Licht der Sterne eine ungewöhnliche Streifenverschiebung erfahren, da die Geschwindigkeit der Sterne zur Lichtgeschwindigkeit addiert wird, aber ein solcher Effekt konnte nicht beobachtet werden. Es wurde später von JG Fox gezeigt, dass die ursprünglichen de Sitter-Experimente aufgrund des Aussterbens fehlerhaft waren, aber 1977 beobachtete Brecher Röntgenstrahlen von Doppelsternsystemen mit ähnlichen Null-Ergebnissen. Darüber hinaus führten Filippas und Fox (1964) terrestrische Teilchenbeschleunigertests durch, die speziell auf den früheren Einwand des „Aussterbens“ von Fox abzielten, wobei die Ergebnisse mit der Quellenabhängigkeit der Lichtgeschwindigkeit unvereinbar waren.

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