Physik compact, Basiswissen 8, Schulbuch

13 E Versuch von Michelson und Morley Lösung: Zur Beseitigung des Problems wurden meh- rere Lösungen vorgeschlagen. 1. Die Erde ruht im Äther (neues geozentrisches Weltbild ). 2. Die Erde führt bei ihrer Bewegung dauernd eine Ätherschicht mit sich ( Mitnahmehypothese ). 3. Der Äther staucht alle Gegenstände bei ihrer Bewe- gung genau in so einem Ausmaß, dass das Ergebnis des Michelsonversuchs zustande kommt ( Lorentz- Kontraktion ). 4. Die Vakuumlichtgeschwindigkeit ist konstant. Sie hängt nicht vom Bewegungszustand von Quelle oder Empfänger ab ( Konstanz der Lichtgeschwin- digkeit ). Bemerkung: Die Konstanz der Lichtgeschwindigkeit lässt sich nicht logisch aus dem Michelson-Morley- Experiment ableiten. Sie erlaubt aber eine konsistente Deutung dieses Experiments und führt im Rahmen der speziellen Relativitätstheorie zu zahlreichen überprüfbaren Voraussagen. Die spezielle Relativitäts- theorie wurde von Albert Einstein 1905 veröffentlicht und ist heute eine der am besten durch Messungen bestätigten Theorien. A1 Suche Argumente, die für oder gegen die obigen Interpretationen sprechen! A2 Wiederhole die„naturwissenschaftliche Methode“! A3 Überlege, was die ersten drei Interpretationen von der vierten unterscheidet! A4 Verschaffe dir Informationen über Michelson, Morley und Einstein! Gedankenexperiment 1. Im Äther ruhendes Michelson-Interferometer: Abb. 13.1 Lichtquelle Q, halbdurchlässiger Spiegel HS, Länge der beiden Arme des Interferometers l 1 und l 2 , Spiegel S 1 und S 2 , Schirm S. Die beiden Arme des Interferometers schlie- ßen einen Winkel von 90° ein. Eine Lichtquelle Q sendet ein- farbiges (monochromatisches), kohärentes Licht aus. Dieses Licht gelangt zu einem halbdurchlässigen Spiegel HS, wo es so aufgeteilt wird, dass es gleichzeitig zu den Spiegeln S 1 und S 2 läuft. Dort wird das Licht reflektiert und gelangt über den halbdurchlässigen Spiegel zum Schirm S. Am Schirm entsteht durch Überlagerung des Lichts ein Interferenzmuster. Wir erwarten: Das Interferenzmuster am Schirm bleibt unverändert, weil sich die Länge der Arme l 1 und l 2 nicht ändern und die Geschwindigkeit des Lichts entlang der beiden Wege gleich ist. 2. Wir betrachten ein Michelson-Interferometer, das sich mit der Erde durch den Äther mitbewegt, wobei Arm l 1 in die Bewegungsrichtung der Erde zeigt. Wenn man davon ausgeht, dass Licht im Äther die Geschwindigkeit c 0 hat, muss man auf- grund der Addition von Geschwindigkeiten unter- schiedliche Laufzeiten des Lichts entlang der Arme l 1 und l 2 annehmen. Die daraus resultierenden Lauf- zeitunterschiede führen zu einer Phasenverschie- bung. Es entsteht ein Interferenzmuster, das von jenem im Gedankenexperiment 1 abweicht. 3. Man dreht das Michelson-Interferometer um 90° so, dass der Arm l 2 nun in die Bewegungsrichtung der Erde zeigt. Während dieser Drehung müsste sich das Interferenzmuster am Schirm ändern, da die Laufzeiten des Lichts entlang den Armen l 1 und l 2 von der Einstellung des lnterferometers zur Bewegungsrichtung der Erde abhängen. Aus der Änderung des Interferenzmusters ergibt sich die Geschwindigkeit der Erde im Äther. Abb. 13.2 Die Erde bewegt sich im Äther. Parallel und normal zur Bewegungsrichtung der Erde erwartet man verschiedene Relativgeschwindigkeiten zwischen Licht und Erde. Blau: Geschwindigkeit bezüglich des Äthers. Gelb: Geschwindigkeit relativ zur Erde. Sonne Fixstern Erde Ruhesystem des Äthers Ruhesystem der Erde Geschwindigkeit des Äthers be- züglich der Erde = negative Erdgeschwindigkeit im Äther -c 0 c - v 0 -v Eine Bewegung der Erde relativ zum Äther konnte nicht festgestellt werden. Lichtquelle Q Spiegel S 2 Schirm S Spiegel S 1 halbdurchlässiger Spiegel HS l 1 l 2 Interferenzmuster Entsprechend den Gedankenexperimenten 2 und 3 wurden ab 1887 von A. Michelson und E. Morley Messungen mit großer Präzision durchgeführt, die zu einem überraschenden Problem führten: BW8/S14 BW5/S9 Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv