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Äth
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Rin
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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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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
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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)
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2005
Absoluter Raum und absolute Zeit
x
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z
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5
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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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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.
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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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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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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
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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
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0 U
mdr
ehun
gen
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
47
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2005
Ergebnis der Jenaer Experimente
Joos kann Ätherdriftenvon mehr als 1,5 km/sausschließen.
48
Prof
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in",
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)
9
49
Prof
. Dr.
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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
51
Prof
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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
Prof
. Dr.
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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)
53
Prof
. Dr.
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2005
Cryogenic optical resonator: CORE
Resonatorbetrieb bei tiefen Temperaturen (4K)
54
Prof
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2005
Michelson-Morley Anordnung
10
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2005
Michelson-Morley Anordnung
Rotation alleindurch Erddrehung
Beobachtungszeitüber ein Jahr
N
56
Prof
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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
57
Prof
. Dr.
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2005
Kann Einstein nun beruhigt sein ? 58
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. Dr.
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Rin
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in",
2005
Der neue Äther ?
DANKE FÜR IHREAUFMERKSAMKEIT !