1

Prof

. Dr.

A. P

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"D

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ther

ist t

ot. L

ang

lebe

der

Äth

er!"

Rin

gvor

lesu

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hysi

k se

it Ei

nste

in",

2005

Der Äther ist tot. Lang lebe der Äther!

Prof. Dr. Alexander PielInstitut für Experimentelle und Angewandte Physik

Christian-Albrechts-Universität zu Kiel2005 2

Prof

. Dr.

A. P

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lebe

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in",

2005

Gliederung

1. Vorstellungen von Raum, Zeit und Licht

2. Michelsons Experimente zur Bewegungder Erde relativ zum Äther

3. Einsteins spezielle Relativität

4. Dayton Miller und Zeitgenossen

5. Moderne Experimente zur Existenzeines Äthers

3

Prof

. Dr.

A. P

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in",

2005

Newton über Raum und Zeit

1. Die absolute, wahre und mathematischeZeit fließt von sich aus und entsprechendihrer eigenen Natur gleichmäßig ohne Bezug zu irgendetwas externem und wirdauch als "Dauer" bezeichnet.

2. Der absolute Raum bleibt gemäß seinemeigenen Wesen ohne Bezug zu etwas externem stets ähnlich und unbeweglich.

Philosophiae Naturalis Principia Mathematica, Bk. 1 (1689)

4

Prof

. Dr.

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2005

Absoluter Raum und absolute Zeit

x

y

z

t

5

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in",

2005

Vorstellungen vom Licht

NEWTON:"Licht besteht aus winzigen Partikeln oder Korpuskeln, die von leuchtenden Körpern ausgesandt werden."Opticks, 1706

HUYGENS:Licht ist ein Wellenvorgang in einem feinenStoff, genannt Äther, der den ganzen Raum ausfüllt und von leuchtenden Körpern zum Schwingen gebracht wird.Traité de la Lumière, 1690

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in",

2005

Pro und Contra

Interferenz

Beugung an Hindernissen

Spektrale ZerlegungSpektrale Zerlegung

ReflektionReflektion

BrechungBrechung

Huygens: WellenNewton: Korpuskel

Sieg nach Punkten für Huygens aber Newtons Autoritätmacht Korpuskeltheorie für das 18. Jh. dominant.

2

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in",

2005

Die Lichtgeschwindigkeit (1673)

Jupiter

Io

ErdeSonne

∆t=24 min

Heutiger Wert: c=299.793 km/sOle Rømer

300 Mio. km

c=214.000 km/s

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in",

2005

Die Aberration von Sternenlicht (1728)

Aus Sicht der Regentropfen Aus Sicht des Sternenlichts

Aus Sicht des Menschen Aus Sicht des Menschen

Sonne

Sonne

Erde

Erde

Regen Licht

c=295.000 km/sBestimmung der Lichtgeschwindigkeitaus der Verschiebung der Sternpositionen

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Prof

. Dr.

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2005

Eigenschaften des Äthers zu Beginn des 19. Jh.

Der Äther

- ist eine feine Substanz, die den ganzen Raum ausfüllt

- durchdringt jeden Körper

- ruht in Newtons absolutem Raum

- ist das Medium, in dem Licht sich als longitudinaleWelle ausbreitet, so wie Schall in Gasen

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in",

2005

Francois Arago (1810)

1

2

2

1

sinsin

vv

=αα

1α

2α

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2005

Thomas Young (1817)

Polarisation des Lichtes: "Licht ist eine transversale Welle !"

Longitudinale Welle(z.B.Schallwelle in Gasen)

Transversale Welle(z.B. elastische Welle

in Festkörpern)

Ausbreitungs-richtung

Bewegungder Atome

Bewegungder Atome

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2005

Eigenschaften des Äthers

Wenn der Äther transversale Wellen trägt, also wie ein Stahlstab Biegeschwingungen erzeugt, ist die Wellengeschwindigkeit:

E = Elastizitätsmodul, ρ = Massendichte

Wellengeschwindigkeit in Stahl: 5 km/sLichtgeschwindigkeit 300.000 km/s

Also muß der Äther um einen Faktor 60.0002 = 3,6 109

geringere Massendichte haben (bei gleicher Elastizität).

Zum Vergleich: Luft ist nur um einen Faktor 773 leichter als Stahl.

ρEvWelle =

3

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2005

Augustin Fresnel (1818)

• Kennt aus einem Briefwechsel mit Aragodas Nullresultat seiner Experimente

• postuliert, daß der Äther einen Mitnahmeeffektin einem Medium mit Brechungsindex n erfährt:

−= 2

11n

vv ObjektÄther

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2005

Hippolyte Fizeau's Experiment (1851)

Wasser, n = 1,33vW= 7m/s

48,0:

44.011 2

gemessenn

f =−=

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2005

Gliederung

1. Vorstellungen von Raum, Zeit und Licht

2. Michelsons Experimente zur Bewegungder Erde relativ zum Äther

3. Einsteins spezielle Relativität

4. Dayton Miller und Zeitgenossen

5. Moderne Experimente zur Existenzeines Äthers

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Prof

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2005

Albert Abraham Michelson (1852-1931)

1878 Versuche zur Messung der Lichtgeschwindigkeit

1880 Europareise. Baut in Berlin sein erstes Interferometer.

1881 Erste Experimente zur Bewegung der Erderelativ zum Äther

1883 Professor in Cleveland

1887 Verbesserte Experimente zusammen mitEdward Morley.

1907 Erster amerikanischer Nobelpreisträger(für die präzise Messung der Lichtgeschwindigkeit)

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2005

Michelson Interferometer (Prinzip)

HalbdurchlässigerSpiegel

Spiegel

Lichtquelle

Auslöschung der Wellen, wenn Wegunterschied = λ/2, 3λ/2, 5λ/2 ... Verstärkung der Wellen, wenn Wegunterschied = 0, λ, 2λ, 3λ ...

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2005

Interferenzstreifen

Lichtquelle

Leichtes Verkippendes Spiegels

Gangunterschied zwischenbenachbarten "Streifen" = λ

4

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2005

Geschwindigkeit der Erde

vS=369km/s

21.6.

21.3.

21.12.

23.9.

vE=30km/s

väq=330m/s

• Erdbewegung relativ zum Äther erzeugt effektiveLichtgeschwindigkeit c+vE oder c-vE wenn Welle mit oder gegen Erdbewegung läuft.

• vE : c = 30 km/s : 300.000 km/s = 10-4 = 1/10.000

• Ätherhypothese fordert Umkehr des Meßeffekts nach 1/2 Jahr

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2005

Erwarteter Meßeffekt (ursprüngliche Vorstellung)

c+v

c-v

Streifenkmskm

mm

cv 04,0

2/000.300/30

6,02,122

2

2

2

2

=

==

∆µλπ

ϕ l

Erdgeschwindigkeit

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2005

Das Interferometer von 1881

1,2m

Erwarteter Effekt

Potsdam, 1881

Umdrehung

Ausgleichsplatte

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2005

Öffentliche Wahrnehmung ?

• Heinrich Hertz demonstriert 1886 die Erzeugung elektromagnetischer Wellen

• Dieses wird allgemein als Bestätigung desÄtherkonzepts angesehen

• Lorentz und Fitzgerald erkennen dieBedeutung von Michelsons Experimentfür den Nachweis der Existenz eines Äthersund ermutigen ihn zu weiter verbessertenExperimenten.

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2005

Michelson-Morley Aufbau von 1887

Lagerung in Quecksilberbad

Mehrfach gefalteterStrahlengang zurVerlängerung des Meßarms auf 11m

1,50m x 1,50m x 30cm

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2005

Korrekter erwarteter Meßeffekt

c+v

c-v

Wegverlängerungdurch bewegten Teilerspiegel

Wegverlängerung durch bewegten Spiegel

Streifenkmskm

mm

cv 18,0

2/000.300/30

6,011

2

2

2

2

=

==

∆µλπ

ϕ l

Hendrik Antoon Lorentz korrigiert Erwartung um Faktor 2:

5

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2005

Resultat von 1887

Erwartetes Ergebnis:

λ = 0,18

Gemessen:

λ < 0,01

Drehwinkel

Drehwinkel

Drehwinkel

Mittelwert pos+neg Halbwelle

Mittags

Abends

Ergebnis:Die Relativgeschwindigkeitzum Äther ist kleiner als 8 km/s. Für ruhenden Äther erwartetdurch Erdbahn: 30 km/s .

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2005

Michelsons Standpunkt zum Äther (1899)

1. Eine Reihe voneinander unabhängiger Gedankengänge führt zu dem Schlusse,daß das Medium, in dem sich die Lichtwellen fortpflanzen, keine gewöhnliche Form der Materie ist. So wenig wir auch von ihm wissen, so können wir dochsagen, daß unsere Unkenntnis von der gewöhnlichen Materie noch größer ist

2. Aller Wahrscheinlichkeit nach existiert dieses Medium nicht nur dort, wo die gewöhnliche Materie vorhanden ist, sondern durchdringt auch alle Formen der Materie [...]

3. Die Erscheinung der Aberration der Fixsterne läßt sich auf Grund der Hypotheseerklären, daß der Äther nicht an der Bewegung der Erde bei ihrem Umlauf um dieSonne teilnimmt. Alle Versuche zur Prüfung dieser Hypothese haben indessennegative Resultate ergeben, so daß man sagen darf, die Theorie befinde sichnoch in einem unbefriedigenden Zustand.

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2005

Gliederung

1. Vorstellungen von Raum, Zeit und Licht

2. Michelsons Experimente zur Bewegungder Erde relativ zum Äther

3. Einsteins spezielle Relativität

4. Dayton Miller und Zeitgenossen

5. Moderne Experimente zur Existenzeines Äthers

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2005

Einstein (1905)

• Einstein hat sein Studium an der ETH-Zürich beendet

• Arbeitet als Patentsachbearbeiter3. Klasse am Berner Patentamt

• Ist jung verheiratet mit Mileva MaricErster Sohn Hans Albert ist 1 Jahr alt.

• Publiziert in diesem Jahr dreiMeilensteine der Physik- Photoeffekt- Spezielle Relativität- Brownsche Molekularbewegung( = Dissertation)

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2005

"Relativitätstheorie" 30

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2005

Einsteins Fazit 1905

• Es braucht keinen Äther

• Die Lichtgeschwindigkeit ist in allengleichförmig bewegten Systemen gleich groß

• Das Konzept von Newtons absolutem Raumund absoluter Zeit ist zu ersetzen durch einevierdimensionale Raumzeit.

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2005

Einstein-Minkowski Raumzeit

Zukunft

Vergangenheit

x

y

t

woanders

22222 tczyx ≤++

Hier und jetzt

"Lichtkegel"

Siehe Vortrag von G. Grensing in der nächsten Woche!

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2005

Gliederung

1. Vorstellungen von Raum, Zeit und Licht

2. Michelsons Experimente zur Bewegungder Erde relativ zum Äther

3. Einsteins spezielle Relativität

4. Dayton Miller und Zeitgenossen

5. Moderne Experimente zur Existenzeines Äthers

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2005

Dayton Miller

(1866-1941)

1890 Instructor in Cleveland(Michelson verläßt Cleveland im selben Jahr)

1893 Assistant professsor

1895 Chair of Physics department

1896 Wiederholt als erster Amerikaner Röntgens Experimente

Akustische Forschungen an Flötenund Orgelpfeifen; berühmte Sammlung

1902-1906 Miller-Morley Experimentezur Ätherdrift

1921-1926 Mt. Wilson Experimente

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2005

Miller - Morley Experiment (1904)

Effektive Armlänge desInterferometers = 32m

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2005

Ergebnisse von 1904

Drehwinkel

Mitt

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0 U

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Ätherdrift = 7,5 km/s

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2005

Millers Schlußfolgerung

• Die massiven Teile des Gebäudeserzeugen eine Mitnahme des Äthers,daher ist der Wert kleiner als dieBahngeschwindigkeit der Erde.

• Wiederholung an einem erhöhten Punktin einer Holzhütte sollte einen größerenMeßeffekt ergeben

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2005

Einstein

1914 Ruf an das KWI in Berlin

1915 Allgemeine Relativitätstheorie

1919 Bestätigung der vorhergesagtenLichtablenkung durch dasSchwerefeld der Sonne

1921 Nobelpreis für das Jahr 1921 (Photoeffekt)

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2005

Einstein (1920)

ETHER AND THE THEORY OF RELATIVITY(Vortrag an der Universität Leyden am 5. Mai 1920)

"To deny the ether is ultimately to assume that empty space has no physical qualities whatever." [...]

"Recapitulating, we may say that according to the general theory of relativity space isendowed with physical qualities; in this sense, therefore, there exists an ether." [...]

"But this [...] ether may not be thought of as endowed with the quality of ponderablemedia, as consisting of parts which may be tracked through time. The idea of motionmay not be applied to it."

Äther = nicht-mechanische Eigenschaften des Raumes

Äther besteht nicht aus gewöhnlicher Materie

Konzept der Bewegung kann nicht auf Äther angewendet werden

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2005

Millers Experimente auf dem Mt. Wilson (1925)

Interferometerträger thermisch isoliert und Glaskasten über Strahlengang

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2005

Ergebnisse

• Mittelwert der Messungenaus 4 Jahreszeiten

• Die Geschwindigkeit ist5 - 9 km/s

• Die Richtung der Erdbewegungrelativ zum Äther ist in RichtungSüdpol der Ekliptik

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2005

Auguste Piccard (1925)

Ätherwind < 9 km/salso keine Zunahme des Miller-Effekts mit der Höhe

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2005

Ergebnis vom Rigi (1927)

Ätherwind nicht meßbar !

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2005

Höhenrekord mit Ballon 15.781 m (1931)

Auguste Piccard und Paul Kipfer

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2005

Conference on the Michelson-Morley Experiment, Mt. Wilson (1927)

Sprecher:• A.A. Michelson• H.A. Lorentz• Dayton Miller• Roy Kennedy• E.R. Hedrick• Paul Epstein

Miller Michelson

Lorentz kritisiert, daß Millers Effekte, die periodisch zu einer vollen Umdrehung sind,von ihm ignoriert werden während er halb-periodische Effekte auswertet.

Michelson fragt, ob Miller Effekte berücksichtigt hat, die vom Umlauf der Erdeum die Sonne abhängen.

Die von Miller gefundene Richtung der Relativbewegung zum Äther stimmt nichtmit der Bewegung und Geschwindigkeit des Sonnensystems in Bezug auf die lokaleGruppe von Sternen überein.

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2005

Georg Joos (1930) 46

Prof

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2005

Experiment von Joos

Aufbau auf 2cm starken Quarzplattender Firma Carl-Zeiss; 21m Lichtweg

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2005

Ergebnis der Jenaer Experimente

Joos kann Ätherdriftenvon mehr als 1,5 km/sausschließen.

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2005

Miller will das letzte Wort haben

Millers Untersuchungen(31 S.)

Genau 7,5 Zeilen zu Joos

Reviews of Modern PhysicsVol. 5, 203-241 (1933)

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2005

Miller der Akustiker 50

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2005

Robert S. Shankland

• Schüler von Dayton Miller

• Professor in Cleveland

• Miller übergibt ihm die Protokolle allerseiner Experimente

• Chair of Physics Departmentnach Millers Tod (1941)

• Kritische Auswertung der Interferometer-messungen von Miller (1955) mitErklärung aller Meßeffekte durchTemperatureinflüsse

• Interviews mit Einstein über Relativität und Äther

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2005

Gliederung

1. Vorstellungen von Raum, Zeit und Licht

2. Michelsons Experimente zur Bewegungder Erde relativ zum Äther

3. Einsteins spezielle Relativität

4. Dayton Miller und Zeitgenossen

5. Moderne Experimente zur Existenzeines Äthers

52

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2005

Weitere Steigerung der Empfindlichkeit

Verlängerung der Interferometerlängedurch Faltung des Stahlenganges

Verlängerung der Interferometerlängedurch Resonator

Zahl der Durchläufe nur vom Reflexionsvermögender Spiegel abhängig (99,9% = 500 Durchläufe)

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2005

Cryogenic optical resonator: CORE

Resonatorbetrieb bei tiefen Temperaturen (4K)

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2005

Michelson-Morley Anordnung

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2005

Michelson-Morley Anordnung

Rotation alleindurch Erddrehung

Beobachtungszeitüber ein Jahr

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2005

Nullresultat des MM-Experiments

Anpassung einer Fitfunktionmit Drift und Sinusanteil Sinusamplitude streut

symmetrisch um Null !

Fehlergrenze: vÄther = 25 m/s

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2005

Kann Einstein nun beruhigt sein ? 58

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2005

Der neue Äther ?

DANKE FÜR IHREAUFMERKSAMKEIT !