Читать книгу Leben wir in einer Illusion? - Lutz Gaudig - Страница 17
ОглавлениеMaxwell – das Problem
Mit der Veröffentlichung seiner nach ihm benannten Gleichungen zum Elektromagnetismus stürzte er die physikalische Welt in eine schwere Krise – James Clerk Maxwell.
Beendet wurde sie erst 41 Jahre später durch Albert Einstein.
Dass Licht eine endliche, zugegebenermaßen enorm hohe Geschwindigkeit besitzt, war eigentlich schon lange bekannt.
Genau genommen seit 1676, elf Jahre vor Newtons Veröffentlichung seiner „Principia Mathematica“.
Ole Christensen Rømer stellte damals fest, dass sich die Verfinsterungen der Jupitermonde nicht in regelmäßigen Abständen wiederholten, sondern in unterschiedlich langen Zeitintervallen.
Bewegten sich die Jupitertrabanten etwa mit wechselnden Geschwindigkeiten?
Nein!
Der dänische Astronom erkannte, dass die Verfinsterungen früher einsetzten, wenn sich Jupiter der Erde näherte.
Sie waren später zu beobachten, wenn sich die Jupiterbahn wieder entfernte.
Die Ursache hierfür sah Rømer in der Endlichkeit der Lichtgeschwindigkeit.
Allerdings gab Rømer selbst keinen Wert für die Lichtgeschwindigkeit an.
Zwei Jahre später war es dann Christiaan Huygens, der einen Wert von etwa 212.000 km/s errechnete, indem er Daten von Ole Christensen Rømer und Giovanni Domenico Cassini kombinierte.
Das war für die damalige Zeit eine herausragende Leistung.
Dennoch hatte sich die Newton’sche Lehrmeinung durchgesetzt, dass sich Licht und Gravitation mit unendlicher Geschwindigkeit ausbreiten.
Knapp 200 Jahre später entwickelte Maxwell, der führende Physiker des 19 .
Jahrhunderts, als Erster eine zufriedenstellende Theorie über die Ausbreitung des Lichtes.
Die Phänomene des Magnetismus und der Elektrizität waren bereits im Altertum bekannt.
Aber erst im 18. Jahrhundert wurden quantitative Gesetze für elektrische Kräfte formuliert. Anfang des 19. Jahrhunderts folgten die für den Magnetismus.
Ausgehend von früheren Forschungen über Elektrizität und Magnetismus, unter anderem durch Michael Faraday und André-Marie Ampère, schuf Maxwell ein System miteinander verknüpfter Differentialgleichungen.
Er konnte zeigen, dass eine Ladung oder ein elektrischer Strom im umgebenden Raum ein Feld erzeugt.
Dieses wiederum übt auf jede darin befindliche elektrische Ladung und jeden anderen Strom eine Kraft aus.
Elektrizität und Magnetismus sind nach seiner Theorie untrennbare Aspekte ein und derselben Kraft.
Er nannte sie elektromagnetische Kraft.
Das dazugehörige Feld bezeichnete er als elektromagnetisches Feld.
Die Ausbreitung der elektromagnetischen Felder beschrieb er mit einer Wellentheorie.
Demnach breitet sich das elektromagnetische Feld wellenförmig und mit konstanter Geschwindigkeit aus.
Als er diese berechnete, war er überaus erstaunt und schrieb 1864:
„This velocity is so nearly that of light, that it seems we have strong reason to conclude that light itself (including radiant heat, and other radiations if any) is an electromagnetic disturbance in the form of waves propagated through the electromagnetic field according to electromagnetic laws.“7
Maxwell hatte für die Ausbreitungsgeschwindigkeit elektromagnetischer Wellen die Lichtgeschwindigkeit errechnet.
Er schlussfolgerte, dass Licht eine elektromagnetische Welle ist.
Unser Auge nimmt aber nur die Wellenlängen von 380 bis 780 Nanometer wahr – den für uns sichtbaren Bereich.
Licht mit kürzeren Wellenlängen bezeichnen wir als ultraviolett, zum Beispiel Röntgenstrahlung.
Über 780 Nanometer schließt sich die Infrarotstrahlung an; dann folgen Micro- und Radiowellen.
James Clerk Maxwell hatte es auf brillante Weise verstanden, elektrische und magnetische Erscheinungen auf eine einheitliche Theorie zurückzuführen.
Allerdings stellte er dabei das mechanistische Weltbild Newtons ungewollt infrage.
Nach Maxwell bewegen sich elektromagnetische Wellen mit konstanter Lichtgeschwindigkeit.
Dies steht aber in direktem Widerspruch zu Newtons Theorie, die besagt, dass es keinen absoluten Ruhepunkt gibt.
Gibt es aber keinen absoluten Ruhepunkt, so lässt sich auch von unterschiedlichen Beobachtern keine Einigkeit über die Geschwindigkeit des Lichtes erzielen.
Das wäre aber bei der Ausbreitung der elektromagnetischen Wellen mit konstanter Lichtgeschwindigkeit der Fall.
Kehren wir noch einmal zurück in unseren ICE, der mit 160 km/h an einem Bahnsteig vorbeifährt, auf dem Ihr Versicherungsvertreter steht.
Dieses Mal lassen Sie Ihr iPad nicht fallen.
Sie schalten die Lampe ein, die sich in Fahrtrichtung an der hinteren Stirnseite ihres Waggons befindet.
Das Licht muss die Strecke von der Lampe bis zu Ihrem Sitzplatz zurücklegen.
Nach einer gewissen Zeit ist das ausgesandte Licht bei Ihnen.
Sie stellen fest: Es hat sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegt, mit rund 300.000 km/s.
Für den zweiten Beobachter, Ihren Versicherungsvertreter auf dem Bahnsteig, stellt sich die Situation etwas anders dar.
Von dem Moment an, in dem Sie die Lampe eingeschaltet haben, bewegen Sie sich für ihn von der Lichtquelle weg.
Das Licht müsste aus seiner Sicht eine längere Strecke zurücklegen.
Diese Strecke ist nicht mehr die Entfernung zwischen der Lampe und Ihrem Sitzplatz.
Sie hat sich um die Strecke vergrößert, die der ICE mit Ihnen zurücklegt, während das Licht zu Ihnen unterwegs war.
Die Geschwindigkeit errechnet sich aber einfach aus V=S/T; Geschwindigkeit ist zurückgelegte Strecke durch Zeit.
Ist die Strecke größer, muss auch die Geschwindigkeit größer sein.
Die Geschwindigkeit des Lichtes wäre dann also Lichtgeschwindigkeit plus ICE-Geschwindigkeit.
Dies würde der Vorhersage der Newton’schen Theorie entsprechen.
Allerdings folgen beide Maxwell und beobachten, dass sich das Licht tatsächlich nur mit der konstanten Lichtgeschwindigkeit von rund 300.000 Kilometern pro Sekunde ausbreitet, so, wie er es in seinen Gleichungen fordert.
Die Konstanz der Lichtgeschwindigkeit bei verschiedenen Beobachtern brachte das Newton’sche Weltbild ins Schwanken.
Vierzig Jahre lang bemühten sich Physiker, es zu stützen.
Einer von ihnen war Maxwell selbst.
Zur Auflösung des Widerspruchs versuchte eine Reihe von Physikern, die Äthertheorie weiterzuentwickeln.
Seit Ende des 17. Jahrhunderts glaubte man, dass der Äther, eine hypothetische Substanz, für die Ausbreitung von Licht verantwortlich ist.
Dieser Stoff war überall vorhanden und durchdrang den gesamten Raum.
Auch den leeren Raum erfüllte er vollständig.
Man ging davon aus, dass elektromagnetische Wellen ein Trägermedium bräuchten, ähnlich den Schallwellen in der Luft.
Die konstante Lichtgeschwindigkeit, die die Maxwell’sche Gleichungen fordern, galt demnach lediglich relativ zum Trägermedium, dem Äther.
Bewegte man sich in ihm, veränderte sie sich.
Entsprechend der Newton’schen Theorie würden dadurch verschiedene Beobachter das Licht mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten auf sich zukommen sehen.
Die Kuh schien vom Eis – vorerst.
Aber dies ließ sich testen.
Im Jahr 1878 überprüften Albert Michelson und Edward Morley im sogenannten „Michelson-Morley-Versuch“ die Äthertheorie.
Sie gingen davon aus, dass sich ihr Labor und damit ihre Messeinrichtung auf der Erde mit hoher Geschwindigkeit relativ zur Sonne bewegen.
Diese Geschwindigkeit beträgt etwa 30 Kilometer pro Sekunde.
Da niemand wusste, wie sich der Äther relativ zur Sonne bewegt, wiederholten sie ihr Experiment zu unterschiedlichen Jahreszeiten.
Bei den aufeinanderfolgenden Messungen befand sich die Erde auf unterschiedlichen Positionen ihrer Umlaufbahn und bewegte sich dadurch auch unterschiedlich relativ zum angenommenen Äther.
Michelson und Morley maßen dann jeweils die Lichtgeschwindigkeit in Richtung der Erdbewegung und quer dazu.
Würde der Äther existieren, wären das Resultat unterschiedliche Lichtgeschwindigkeiten.
Zu ihrer Überraschung waren aber alle Messergebnisse gleich.
Die Lichtgeschwindigkeit war immer dieselbe, egal auf welcher Position der Erdbahn gemessen wurde oder in welcher Bewegungsrichtung.
Für unterschiedliche Beobachter mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten war das Licht immer gleich schnell.
Alle sahen das Licht mit einheitlicher Geschwindigkeit von rund 300.000 Kilometern pro Sekunde.
Die Vorhersage der Newton’schen Theorie traf nicht ein.
Die Kuh war wieder auf dem Eis, und Albert Michelson und Edward Morley bekamen dafür 1907 den Physiknobelpreis.
Danach arbeitete man intensiv, um die Äthertheorie zu retten.
Insbesondere Hendrik Antoon Lorentz versuchte, wie schon einige Jahre zuvor George Francis Fitz-Gerald, das Michelson-Morley-Experiment mit relativistischen Betrachtungen zu erklären.
In der Lorentz’schen Äthertheorie wird der Widerspruch zum Michelson-Morley-Experiment über die Einführung der sogenannten „Lorentz Transformationen“ aufgelöst.
Dabei erkannte er, dass sich bewegte Gegenstände zusammenziehen und Uhren langsamer laufen, wenn sie sich relativ zum Äther bewegen.
Damit kam er der Wahrheit schon sehr nahe.
Nur wenige Jahre später zeigte ein „technischer Experte dritter Klasse“ des eidgenössischen Amtes für Geistiges Eigentum in Bern, dass der Widerspruch zwischen Newton’scher Theorie und Maxwells Gleichungen elegant gelöst werden kann.
Dabei tat er etwas ganz Wichtiges.
Er warf den gesunden Menschenverstand über Bord.
