Im 19. Jahrhundert ging man davon aus, dass sich Licht auf die gleiche Weise wie Schallwellen durch ein Medium ausbreitet. Dieses Medium wurde Äther genannt und sollte das Universum füllen. Die Bewegung der Erde durch den Äther sollte eine konstante Geschwindigkeit relativ zum Äther erzeugen, bekannt als „Ätherwind“. Dieser Ätherwind sollte sich in Messungen der Lichtgeschwindigkeit in unterschiedlichen Richtungen bemerkbar machen.
Das Ziel des Michelson-Morley-Experiments war es, diesen Ätherwind zu messen und dadurch die Existenz des Äthers zu bestätigen. Dafür konstruierten die Forscher ein Interferometer, ein präzises Messinstrument, um die Lichtgeschwindigkeit in verschiedenen Richtungen zu messen.
Das Interferometer und das Experiment
Das Interferometer von Michelson und Morley bestand aus zwei Spiegeln, die in einem Winkel von 90 Grad zueinander angeordnet waren. Licht wurde von einer Lichtquelle ausgestrahlt und in zwei Strahlen aufgeteilt, die jeweils in entgegengesetzte Richtungen entlang der Spiegel geschickt wurden. Danach wurden die beiden Lichtstrahlen wieder vereinigt und auf eine Detektoreinheit gelenkt.
Die Idee war, dass der Ätherwind die Geschwindigkeit des Lichts in den beiden unterschiedlichen Richtungen beeinflussen würde, wodurch sich die Wellenfronten der beiden Strahlen verschieben würden. Dies würde zu einer Interferenz der Lichtstrahlen führen, die auf dem Detektor gemessen werden könnte.
Das Experiment zeigte jedoch keine signifikante Verschiebung der Lichtstrahlen und somit keinen Hinweis auf einen Ätherwind. Die Lichtgeschwindigkeit schien in beiden Richtungen konstant zu sein, unabhängig von der Bewegung der Erde durch den Äther. Dies war ein unerwartetes Ergebnis, das zu einer Krise in der klassischen Physik führte.
Die Schlussfolgerung war, dass entweder der Äther nicht existiert oder dass die Erde sich nicht relativ zum Äther bewegt. Diese Ergebnisse stellten die Annahme eines universellen Mediums in Frage und führten schließlich dazu, dass Albert Einstein seine Relativitätstheorie entwickelte. Die spezielle Relativitätstheorie löste das Problem, indem sie die Annahme einer konstanten Lichtgeschwindigkeit unabhängig von der Bewegungsrichtung einführte.
Kritik an der Genauigkeit des Michelson-Morley-Experiments
Das Michelson-Morley-Experiment von 1887 gilt als eines der bedeutendsten Experimente in der Geschichte der Physik, da es dazu beitrug, den Ätherbegriff zu widerlegen und den Weg für die spezielle Relativitätstheorie von Albert Einstein zu ebnen. Doch obwohl das Experiment bahnbrechend war, lassen sich aus heutiger Sicht einige kritische Anmerkungen zur Größe und Genauigkeit des Experiments machen.
Abmessungen und Lage
Die Länge der Interferometerarme betrug nur wenige Meter, was zwar für die damaligen technischen Möglichkeiten beeindruckend war, aber möglicherweise nicht ausreichend, um einen sehr kleinen Ätherwind präzise zu messen. Größere Interferometer hätten eine höhere Empfindlichkeit bieten und genauere Messungen ermöglichen können.
Ein weiterer wichtiger Kritikpunkt betrifft die Lage des Experiments, insbesondere die Höhenlage. Auf Meereshöhe ist der Atmosphärendruck am höchsten, was die Lichtgeschwindigkeit beeinflusst. Daher ist die Annahme, dass der Ätherwind noch zusätzliche Auswirkungen haben könnte, nicht mehr logisch nachvollziehbar.
Präzision
Die Genauigkeit des Experiments hing stark von den verfügbaren Messinstrumenten ab, die im Vergleich zu heutigen Standards begrenzte Präzision boten. Systematische Fehler, wie zum Beispiel Ungenauigkeiten in der Justierung der Spiegel oder Temperaturunterschiede, hätten die Ergebnisse beeinflussen können.
Erwartung
Außerdem war die wissenschaftliche Methode des Experiments eng mit den damals vorherrschenden theoretischen Annahmen über den Äther und die Natur des Lichts verbunden. Eine breitere Perspektive, die verschiedene alternative Modelle berücksichtigt hätte, hätte zu einer anderen Interpretation der Ergebnisse führen können.
Insgesamt war das Michelson-Morley-Experiment ein wichtiger Schritt in der wissenschaftlichen Entdeckung, aber seine Begrenzungen in Bezug auf Größe und Genauigkeit verdeutlichen, dass es möglicherweise nicht in der Lage war, alle Aspekte des Ätherkonzepts zu widerlegen. Moderne Experimente mit hochpräzisen Instrumenten und längeren Interferometerarmen könnten tiefere Einblicke in die Natur von Licht und Raumzeit bieten.
Ein weiterer Aspekt, der bei der Bewertung des Michelson-Morley-Experiments zu berücksichtigen ist, betrifft die Frage der Einweglichtgeschwindigkeit. Das Experiment versuchte, den Unterschied in der Lichtgeschwindigkeit in verschiedenen Richtungen zu messen, um die Existenz eines Äthers nachzuweisen. Jedoch hat es nur die zweifache (hin und zurück) Lichtgeschwindigkeit in den Interferometerarmen verglichen und nicht die Lichtgeschwindigkeit in nur einer Richtung. Dies ist ein kritischer Punkt, da die Einweglichtgeschwindigkeit in den verschiedenen Raumrichtungen, wie sie in späteren Untersuchungen vorgeschlagen wurde, möglicherweise zusätzliche Erkenntnisse liefern könnte.
Die Messung dieser Einweglichtgeschwindigkeit ist besonders wichtig in Bezug auf die Theorien der Relativität und die fundamentalen Annahmen über die Natur von Licht und Raumzeit. Insofern kann man dem Michelson-Morley-Experiment vorwerfen, dass es durch seine begrenzte Methodik nicht alle möglichen Aspekte der Lichtausbreitung berücksichtigt hat, was seine Aussagekraft in diesem speziellen Kontext einschränkt.
Die Messung der Einweglichtgeschwindigkeit für den Nachweis des Äthers.
In der wissenschaftlichen Auseinandersetzung mit der Existenz des Äthers und der Natur der Lichtgeschwindigkeit wird oft betont, dass eine präzise Messung der Einweglichtgeschwindigkeit von entscheidender Bedeutung ist. Diese Methode könnte die Aussagekraft von Experimenten wie dem Michelson-Morley-Experiment erheblich beeinflussen.
Bisherige Experimente, wie das Michelson-Morley-Experiment, haben in erster Linie auf Interferenzmethoden zurückgegriffen, bei denen die Lichtgeschwindigkeit in zwei entgegengesetzten Richtungen gemessen und miteinander verglichen wurde. Diese Methode kann zwar Unterschiede in der Lichtgeschwindigkeit aufzeigen, aber sie ist anfällig für systematische Fehler und erfasst nur Unterschiede in der Lichtgeschwindigkeit, nicht aber ihre absolute Größe.
Die Messung der Einweglichtgeschwindigkeit, bei der die Lichtgeschwindigkeit in einer Richtung direkt gemessen wird, könnte präzisere und eindeutigere Aussagen über die Natur des Lichts und des Äthers liefern. Eine solche Messung ist jedoch technisch herausfordernd, da sie eine äußerst präzise Synchronisierung von Uhren an beiden Enden der Messstrecke erfordert.
Ein erfolgreiches Experiment, das die Einweglichtgeschwindigkeit misst, könnte dazu beitragen, die Existenz eines Äthers zu bestätigen oder endgültig zu widerlegen. Darüber hinaus könnte es auch die spezielle Relativitätstheorie bestätigen, die eine konstante Lichtgeschwindigkeit in allen Inertialsystemen postuliert.
Obwohl die Messung der Einweglichtgeschwindigkeit nach wie vor eine technologische Herausforderung darstellt, könnte ihre Durchführung bedeutende Fortschritte in unserem Verständnis der Grundlagen der Physik bringen und offene Fragen zur Natur des Lichts und des Raums beantworten.
Die Kritikpunkte zusammengefasst:
- Größe
- Präzision
- Lage
- Keine Einwegmessung
Die Entwicklung der Physik, die auf das Michelson-Morley-Experiment folgte, war ein notwendiger Schritt für unser Verständnis. Dass die Eliminierung des Äthers für diesen Schritt erforderlich war, ist ebenfalls verständlich. Aus diesen Gründen sollten wir dem Michelson-Morley-Experiment eine weitere Eigenschaft anerkennen, nämlich die des “Fixpunkts in der Zeit”. An diesem Zeitpunkt können wir mit unserem heutigen Kenntnisstand zurückkehren und die Fragestellung erneut betrachten. Diese Neubetrachtung würde nicht an der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit zweifeln lassen, jedoch wirft sie die Frage nach der Bedeutung des Zusatzes “im Medium” erneut auf.
Heutzutage sind wir zu größeren Experimenten mit genaueren Geräten fähig und wir sind dazu im Stande, außerhalb der Atmosphäre zu messen. Somit können wir drei der Kritikpunkte bereits in einem neuen Experiment beseitigen.
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Positionieren wir 5 Satelliten auf einem geostationären Orbit mit gleicher Geschwindigkeit und gleichem Abstand zueinander.
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Jeder der 5 Satelliten ist mit seinem direkten Nachbarn verbunden und ein Satellit hält die Verbindung zur Erde aufrecht. Dadurch wird sichergestellt, dass die Positionen, Abstände und Geschwindigkeiten beibehalten werden.
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Da wir uns für eine geostationäre Umlaufbahn/Umlaufgeschwindigkeit für die Satelliten entschieden haben, können wir das System aus Erde und Satelliten als Ruhesystem betrachten. Dies liegt daran, dass die geostationäre Umlaufbahn eine konstante Position relativ zur Erdoberfläche beibehält. Allerdings führt dies zu Herausforderungen beim Uhrenvergleich zwischen Satelliten und Erde. Aus diesem Grund betrachten wir nun ausschließlich die Satelliten, die aufgrund ihrer Position und Geschwindigkeit relativ zueinander als Ruhesystem betrachtet werden können.
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Das war die Experimentanordnung, die bereits das Größen- und Lageproblem löst. Nun können wir zum eigentlichen Experiment und zur Lösung der Präzisions- und Einwegprobleme kommen. Was wir als Erstes erkennen können, ist die Tatsache, dass wir gar keinen geostationären Orbit brauchen, da wir das System aus den 5 Satelliten allein schon als Ruhesystem betrachten können und dabei die Eigengeschwindigkeit nicht ausschlaggebend ist.
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Dies ermöglicht zwei zusätzliche Messbereiche “Überholen” und “Zurückfallen”, in denen Messdaten gesammelt werden können. Jeder Satellit hat neben der bereits erwähnten Verbindung zu seinen Nachbarn über die Position, Abstand und die Geschwindigkeit gesteuert werden, noch zwei weitere Verbindungen zum Nachbarn und eine eigene interne Verbindung.
Diese Verbindungen bestehen aus Laser-Sender und -Empfänger. Jeder einzelne der 5 Satelliten führt das gleiche Experiment durch und speichert jeden einzelnen Schritt in einer internen Datenbank mit Zeit und Ergebnis. Das Experiment besteht aus Empfangen, Verarbeiten (Dauer, Stärke) und Weiterleiten eines Lichtsignals. Das Ziel ist es, die Verarbeitungs-/Prozessdauer zu ermitteln.
Experiment A: Jeder Satellit sendet ein internes Laserlichtsignal (ILLS), das die Verarbeitungsprozesse durchläuft, um die eigene Kalibrierung und Verarbeitungszeiten zu messen.
Experiment B: Jeder Satellit sendet zwei externe Laserlichtsignale (ELLS) an seine Satellitennachbarn “prev” und “next”. Mit diesem Experiment B lässt sich die Einweglichtgeschwindigkeit indirekt messen. Nicht nur, dass es eine Messung der Einweglichtgeschwindigkeit durchführt, es liefert auch direkt zehn Ergebnisse in unterschiedlichen Richtungen.
Experiment C: Ein Satellit sendet ein externes Laserlichtsignal (ELLS) zufällig an einen seiner Satellitennachbarn “prev” oder “next”. Durch die Wahl des Satelliten, an den er das Signal sendet, legt er die Richtung von Experiment C fest “Clockwise” oder “Anticlockwise”. Dieses Signal wird von jedem Satelliten verarbeitet und an den nächsten weitergeleitet, solange bis jeder Satellit das Signal 10000 Mal empfangen hat.
Anticlockwise:
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Clockwise:
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Zwischen den Experimenten E_C_AntiClockwise und E_C_Clockwise sollte kein Unterschied erkennbar sein, wenn es keinen Äther gibt. Sollte es jedoch einen Unterschied in der Experimentdauer geben, kann dies nur an der Laufzeit liegen. Dies können wir durch Vergleichen der Verarbeitungszeiten untersuchen.
Die Experimente E_A und E_B laufen durchgehend nur E_C wird per zufall angestossen. Alle 24 Stunden werden die Daten von Tag, von allen Satelliten an die Erde geschickt.