Äthertheorie

Die Äthertheorie in der Geschichte

Die newtonsche Mechanik war geprägt von der Vorstellung des absoluten Raumes, den man auch versuchte, in irgendeiner Form zu vergegenständlichen. Dazu wurde angenommen, dass dieser Raum lückenlos von einem Stoff außerordentlich geringer Dichte gefüllt sei, den die Naturwissenschaftler als Äther oder Lichtäther bezeichneten und der in diesem absoluten Raum ruhen sollte.
Vertreter dieser Äthertheorie waren vor allem CHRISTIAAN HUYGENS (1629-1695) und ROBERT HOOKE (1635-1703). Von ISAAC NEWTON (1643-1727) gibt es dazu widersprüchliche Äußerungen. Letztendlich setzte sich aber zunächst seine Korpuskulartheorie des Lichtes durch und war bis zum Anfang des 19. Jahrhunderts die allein herrschende Vorstellung. Mit der Entwicklung der Wellentheorie des Lichtes durch THOMAS YOUNG (1773-1829) und AUGUSTIN JEAN FRESNEL (1788-1827) gingen Bemühungen zur Entwicklung einer Physik des Äthers einher, von der man erwartete, dass sie eine Erklärung der Erscheinungen bei Licht ermöglichte. Diese Äthertheorie wurde in den darauffolgenden Jahren ausgebaut und entwickelte sich zu der dominierenden Vorstellung, mit der man sowohl die Ausbreitung als auch die Eigenschaften von Licht und später von anderen elektromagnetischen Wellen erklären konnte.
Nach dieser Vorstellung würde sich auch die Erde in einem ruhenden Äther bewegen, und zwar mit einer Geschwindigkeit von etwa 30 km/s (Bild 1). Das ist die Umlaufgeschwindigkeit der Erde um die Sonne.
Zusammenfassend ergibt sich:
Der Äther ist ein Stoff geringster Dichte, der in dem uns umgebenden absoluten Raum ruht und in dem sich Körper reibungsfrei bewegen können. In ihm breiten sich Lichtwellen und andere elektromagnetische Wellen ähnlich wie Schallwellen in der Luft aus. Elektrische und magnetische Felder sind besondere Zustände dieses Äthers.

Nach einer von FRESNEL im Jahre 1818 formulierten Hypothese sollte dieser Äther von bewegten Körpern, die er durchdringt, teilweise mitgeführt werden. FIZEAU führte im Jahre 1851 einen Versuch durch, bei dem er nachweisen konnte, dass es einen Unterschied in der Lichtgeschwindigkeit in strömendem Wasser mit der Strömungsrichtung und entgegen dieser Strömungsrichtung gab. Das sprach für die Äthertheorie.

Die Versuche von MICHELSON und MORLEY

Der amerikanische Physiker ALBERT ABRAHAM MICHELSON (1852-1931) führte ab 1881 in Berlin und Potsdam Versuche durch, die die Existenz eines Äthers beweisen sollten. Er setzte diese Untersuchungen ab 1886 mit seinem amerikanischen Kollegen MORLEY in den USA fort. Die Anlage der Versuche ist unter dem Stichwort „MICHELSON-MORLEY-Experiment“ ausführlich beschrieben. Mit den Versuchen konnte die Existenz eines Äthers nicht nachgewiesen werden.

Trotz der negativen Ergebnisse der Experimente von MICHELSON und MORLEY versuchte man die Ätherhypothese zu retten. So ergänzte z.B. HEINRICH HERTZ (1857-1894) seine Grundgleichungen der Elektrodynamik in ruhenden Körpern durch solche in bewegten Körpern. HENDRIK A. LORENTZ (1853-1928) formulierte in Anlehnung an einen Gedanken von FITZGERALD auf der Grundlage seiner Elektronentheorie eine Elektrodynamik bewegter Körper. LORENTZ ging davon aus, dass die Länge eines Körpers von seiner Geschwindigkeit gegenüber dem Äther abhängt. 1895 entwickelte er eine Gleichung für die sogenannte LORENTZ-Kontraktion: Ein mit der Geschwindigkeit v gegenüber dem Äther bewegter Körper soll sich in Bewegungsrichtung um den Faktor $\sqrt{1-v^2/c^2}$verkürzen.
Damit konnte auch das Ergebnis der Experimente von MICHELSON und MORLEY erklärt werden.

EINSTEINs spezielle Relativitätstheorie

ALBERT EINSTEIN (1879-1955) formulierte 1905 seine grundlegenden Postulate zur speziellen Relativitätstheorie. Er drehte dabei den Gedankengang von LORENTZ um: Das Postulat der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit im leeren Raum, das bei LORENTZ als Folgerung erschien, stellte EINSTEIN an den Anfang seiner Überlegungen. Mit der Gleichberechtigung aller Inertialsysteme war die Vorstellung eines materiellen Äthers als Träger eines mit dem absoluten Raum verbundenen bevorzugten Koordinatensystems unvereinbar. Längenkontraktion, Zeitdilatation oder die Abhängigkeit der Masse von der Geschwindigkeit konnten im Rahmen dieser neuen Theorie widerspruchsfrei und ohne Annahme eines Äthers erklärt werden.
Mit dem Wegfall eines Äthers wurde auch die Deutung von MAXWELL, dass das elektromagnetische Feld ein besonderer Zustand im Äther sei, hinfällig. Das elektromagnetische Feld erhielt vielmehr den Charakter einer objektiven physikalischen Realität, die von allem Stofflichen unabhängig ist.

Moderne Versuche, die gegen einen Äther sprechen

Es hat im 20. Jahrhundert eine Vielzahl von Versuchen gegeben, die Existenz eines Äthers zu belegen oder zu widerlegen.
Einer dieser Versuche beruht auf Atomuhren, die weltweit synchronisiert werden müssen. Wir betrachten dazu eine Atomuhr in Deutschland und eine in den USA. Die Entfernung dieser Uhren beträgt etwa 9000 km. Wir gehen weiterhin davon aus, dass sich die Erde mit etwa 30 km/s in einem ruhenden Äther bewegen möge. Damit würde ein Ätherwind der genannten Geschwindigkeit entgegen der Bewegungsrichtung der Erde wirken. Dann müsste ein Funksignal von Deutschland in die USA am Tag langsamer laufen als in der Nacht, denn am Tag würde sich das Licht entgegen dem Ätherwind und nachts mit dem Ätherwind bewegen. Bei den angegebenen Zahlen würden sich folgende Laufzeiten ergeben:
$\begin{array}{l}{t}_{Tag}=\frac{s}{c-v}=\frac{9000\text{km}}{(300000-30)\text{km/s}}=30\text{ms}+3\mu \text{s}\\ t_{Nacht}=\frac{s}{c+v}=\frac{9000\text{km}}{(300000+30)\text{km/s}}=30\text{ms}-3\mu \text{s}\end{array}$
Der Effekt unterschiedlicher Laufzeiten wurde nie festgestellt. Auch das spricht gegen die Existenz eines Äthers.

Aussagen zum Äther in alten Physiklehrbüchern

Wie fast alle neuen Erkenntnisse setzte sich auch die Auffassung, dass es keinen Äther gibt, nur langsam durch. So heißt es z.B. in einem Physiklehrbuch für die Oberstufe von 1914:

„Heinrich Hertz (1857-1894) entdeckte 1888, dass jede oszillierende Entladung den ganzen umgebenden Ätherraum in elektromagnetische Schwingungen versetzt (ähnlich wie eine Stimmgabel die umgebende Luft).“

Und an anderer Stelle heißt es:

„Der Äther ist nur transversaler Schwingungen fähig. Diese breiten sich mit Lichtgeschwindigkeit (300000 km/sec) aus. Licht- und Ätherwellen sind wesensgleich und nur durch die Wellenlänge verschieden“.
(aus Kleiber/Nath: Physik für die Oberstufe, Berlin und München 1914)

In einem „Grundriss der Physik“ für die Oberstufe und für Fachschulen von 1929 heißt es:

„Mit der Materie befassen sich die Mechanik, die Wärmelehre und die Akustik. Zur Physik des Äthers gehören die Erscheinungen der Wärmestrahlung, der Optik und der Elektrizität. Indem der Äther als feiner Stoff angenommen wird, der alle Materie und den leeren Raum durchdringt und durch Koppelung seiner Teilchen die elektrischen und magnetischen Kräfte überträgt, ist es möglich, die Gesetze der gesamten Physik als Nahwirkungsgesetze theoretisch darzustellen, d.h. in einer Form, wie sie die Mechanik bietet, in der die Wechselwirkung der Körper durch unmittelbare Berührung erfolgt. Wir haben bisher noch nicht von dem Bewegungszustand des Äthers gesprochen. Wir haben aber bei der Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit nach Römer ganz stillschweigend angenommen, der Äther ruhe, ebenso stillschweigend aber auch bei der irdischen Bestimmung vorausgesetzt, der Äther bewege sich mit der Erde fort. Die Übereinstimmung der Ergebnisse kann darüber nicht hinwegtäuschen, daß hier ein grundsätzlicher Unterschied der Auffassung vorliegt, dessen Auswirkung vielleicht nur nicht groß genug ist, um bemerkt zu werden. Denn würde man z.B. die Geschwindigkeit des Schalles messen, der sich längs einer Eisenbahnlinie ausbreitet, so würde man sie außerhalb des fahrenden Zuges anders beurteilen als im Zug. Die Frage: „Bewegt sich der Äther oder ruht er?“ ist daher für die Einheitlichkeit und Sicherheit des physikalisch-wissenschaftlichen Systems von größtem Belange“.
(aus: Grundriss der Physik von Karl Hahn, B. G. Teubner, Leipzig und Berlin)

Bis heute findet man Publikationen, vor allem im Internet, die die Existenz eines Äthers behaupten. Die moderne Physik geht allerdings davon aus, dass es einen solchen Äther nicht gibt.