Bild 4.11.1-1: Veranschaulichung des Versuchs von Arago
4.11.1 Zum Versuch von Arago
4.11.2 Das Experiment von Hoek und ein eigenartiger Trick
4.11.3 Der Versuchsapparat von Fizeau schweigt nicht
Der französische Physiker und Astronom Arago (1786-1853) wollte mit diesem Experiment feststellen, ob bewegte Körper bei ihrer Bewegung durch das "ruhende Äthermeer" den Äther "mitführen".
Dabei wurde vorausgesetzt:
Der Äther ruht im absoluten, durch die Fixsterne markierten Raum.
Die Lichtgeschwindigkeit gegenüber dem Äther ist konstant.
Die Erde bewegt sich mit v = 30 km/s um die Sonne, das ist folglich zugleich ihre Relativgeschwindigkeit zum Äther.
Es wurde erwartet:
Richtet man von der Erde ein Fernrohr auf
einen Stern, auf den sich die Erde bei ihrem Umlauf um die Sonne gerade
zubewegt, so müßte, voraussetzungsgemäß, die Lichtgeschwindigkeit
gegenüber dem Fernrohr den Wert c + v haben. Betrachtet man denselben
Stern ein halbes Jahr später durch das Fernrohr, dann müßte
die Lichtgeschwindigkeit gegenüber dem Fernrohr den Wert c - v haben.
Da die Größe der Lichtbrechung in einer optischen Linse von
der Lichtgeschwindigkeit abhängt, wäre zu erwarten, daß
der Brennpunkt der Linse in beiden Fällen eine andere Lage hat.
Bild 4.11.1-1: Veranschaulichung des Versuchs
von Arago
Es konnte jedoch in diesem Versuch kein Unterschied in der Lage des Brennpunktes beobachtet werden. Aus diesem Ergebnis folgerte Arago, "daß ein bewegter Körper den Ather vollständig mitführt". Man beachte diese verallgemeinerte und vieldeutige Formulierung. Wogegen muß ein Körper "bewegt" werden, damit eine Mitführung stattfindet?
Die obigen Voraussetzungen sind nicht unsere. Wir fragen nicht, ob die Erde den Äther mitführt. Wir gehen davon aus, daß sich die Erde im Zentrum eines differentiell rotierenden Wirbels der latenten Materie befindet und von diesem mitgeführt wird, so daß dicht über der Erdoberfläche keine Relativgeschwindigkeit zur latenten Materie zu erwarten ist. Die von dem fernen Stern kommenden Lichtstrahlen werden, wenn sie den Sonnenwirbel und danach den Erdwirbel der latenten Materie durchlaufen, wegen der Rotation des Mediums geringfügig abgelenkt. Wegen der hohen Lichtgeschwindigkeit, im Vergleich zur Winkelgeschwindigkeit der Wirbel, können aber der Sonnenwirbel und der Erdwirbel in guter Näherung als ruhend angesehen werden.
Das im Versuch von Arago mit der Erde verbundene Fernrohr war ringsherum von zu ihm ruhender latenter Materie umgeben. Folglich hatte die Lichtgeschwindigkeit gegenüber dem Fernrohr immer den gleichen Wert c. Man nahm an, es sei v = 30 km/s, aber in diesem Versuch war v = 0 (!), was in unserem Sinne auch erwartungsgemäß bestätigt wurde.
Wir sehen in diesem Versuchsergebnis eine Bestätigung, daß der Wirbel der latenten Materie in seinem Zentrum die Erde vollständig mitführt.
Dazu ein anschaulicher Vergleich: Man stelle sich einen großen See mit einem darin langsam rotierenden Wasserwirbel vor. Ein Schwimmkörper rotiert im Wirbelzentrum mit. Nun bewegt sich aus größerer Entfernung eine Welle auf den Wirbel zu. Die Wellenfront dieser Welle wird, wenn sie den Wirbel durchläuft, geringfügig aus ihrer ursprünglichen Richtung abgelenkt; die Geschwindigkeit, mit der sie am Schwimmkörper eintrifft, wird konstant und unabhängig davon sein, ob sich der Wirbel zusätzlich auf die Welle zu oder von ihr fortbewegt. Man beachte hierzu die "Konstanz der Lichtgeschwindigkeit" in (4.14.2).
Albert Einstein würde mit seinem "Gesetz
von der Konstanz der Vakuumlichtgeschwindigkeit" unerklärbar behaupten:
Die Lichtgeschwindigkeit, die ein Beobachter (hier das Fernrohr) wahrnimmt,
unabhängig davon, ob er sich auf die Lichtquelle zu- oder von ihr
fortbewegt, ist immer gleich c. Aber dieses ,,Gesetz" wird sich wohl als
das ,,wissenschaftliche" Kuriosum des Jahrhunderts erweisen. Ausführlich
dazu in II(1.5).
Auch mit diesem Versuch sollte festgestellt werden, ob bewegte Körper bei ihrer Bewegung durch das ,,ruhende Äthermeer" den Äther ,,mitführen".
Der Äther ruht im absoluten, durch die Fixsterne markierten Raum.
Die Lichtgeschwindigkeit c gegenüber dem Äther ist konstant.
Lichtgeschwindigkeit im ruhenden Wasser: ci, Brechungsindex: n = c/ci. Die Erde bewegt sich mit v = 30 km/s um die Sonne; das soll auch ihre Relativgeschwindigkeit gegenüber dem ,,ruhenden" Äther sein.
Das Wasser ruht in der Versuchsanordnung, und laut Voraussetzung wird angenommen, daß es sich mit v 30 km/s durch den "ruhenden" Äther bewegt. Von der Lichtquelle L fällt ein Lichtstrahl auf die um 45° geneigte Glasplatte, an der er geteilt wird. Ein reflektierter Strahl 1 durchläuft die Strecke P - 51 - - S3 - P, der durchgehende Strahl 2 durchläuft denselben Weg in entgegengesetzter Richtung und gelangt in der Optik mit dem ersten zur Interferenz. Die ganze Anordnung kann horizontal in verschiedene Richtungen zur Erdbewegung gedreht werden.
So wurde das Versuchsanliegen sinngemäß
interpretiert:
Würde der Äther vom Wasser nicht
mitgeführt, dann wäre die Lichtgeschwindigkeit im Wasser relativ
zum ruhenden Äther unverändert c1 und für einen in Richtung
der Erdbewegung laufenden Lichtstrahl relativ zur Erde c1-v. Würde
der Äther vom Wasser vollständig mitgeführt, vergleichbar
mit Luft in einem geschlossenen Behälter, wäre die Lichtgeschwindigkeit
relativ zum ruhenden Äther c1+v und relativ zur Erde c1.
Da man aber seit Fresnel teilweise Mitführung
vermutet und auch durch dieses Experiment nachzuweisen hofft, muß
die erwartete Änderung der Lichtgeschwindigkeit, ausgedrückt
durch die Mitführungszahl 
,
zwischen 0 und v liegen. Bei =0
fände keine, bei =v vollständige
Mitführung
statt.
Die Geschwindigkeit des Lichtstrahls 1
in Bewegungsrichtung der Erde relativ zum Äther wird also als c1+
erwartet, relativ zur Erde c1+-v.
Für den entgegenlaufenden Strahl 2 wird eine Lichtgeschwindigkeit
relativ zum Weltäther von c1-
und relativ zur Erde von c1-+v erwartet.
Ist l die Länge des Wasserrohres,
so benötigt Strahl 1 zum Durchlaufen des Rohres die Zeit l/(c1+-v),
wenn die Erde sich in Richtung von S1 nach S2 bewegt; er benötigt
zum Durchlaufen der Luftstrecke zwischen S3 und P die Zeit I/(v+c). Der
Strahl 1 braucht also zum Durchlaufen der gleichlangen Wege die Zeit t1
= l/(c1+-v) + I/(c+v).
Der Strahl 2 durchläuft die Luftstrecke
in der Zeit I/(c-v) und danach die Wasserstrecke in der Zeit I/(c1-+v).
Insgesamt
braucht also der Strahl 2 auf den beiden gleichlangen Wegen in Luft und
Wasser die Zeit t2 = I/(c-v) + l/(c1-+v).
Der erwartete Mitführungseffekt müßte zu einem auswertbaren
Laufzeitunterschied der beiden Lichtstrahlen führen.
Das Experiment zeigt aber, daß die Interferenzen sich nicht im geringsten ändern, wenn die Versuchsanordnung in die entgegengesetzte oder in eine beliebige Richtung zur Erdgeschwindigkeit gedreht wird.
Daraus folgt, daß die Lichtstrahlen 1 und 2 unabhängig von der Richtung der Versuchsanordnung zur Erdbahn gleiche Zeiten brauchen, daß also t1=t2, d.h.:
Dieses unerwartete Ergebnis bereitete Verwunderung:
An der Exaktheit der in der Gleichung auftretenden Lichtgeschwindigkeiten
c und c1 gab es keinen Zweifel, und v war die vorausgesetzte Primärgröße,
an der man nicht zweifeln wollte . Folglich kommt auch
= 0 nicht in Frage, weil dadurch, wie man sieht, die Gleichung auch nicht
erfüllt wird.
So blieb nur eine Fragestellung:
Wie groß muß, bei Anerkennung aller anderen Gleichungsgrößen,
die Mitführung sein, damit
der Laufzeitunterschied der beiden Lichtstrahlen gerade Null ist?
Mit geringer Mühe erhält man
durch Umstellen:
Dividiert man zielgerichtet durch c(2;1)
und vernachlässigt zugleich die Terme 1 und 3, ergibt sich:
Daraus folgt die Fresnel'sche Mitführungsformel:
Dieses "Ergebnis" kann nur als zufällige
Übereinstimmung gewertet werden. Im Sinne damaliger Deutungen hätte
ja auch eine
vollständige
Mitführung des Äthers durch
die Erde, also v=0, angenommen werden können.
Demnach ist es verwunderlich, wie aus einer vermutbaren vollständigen Mitführung eine Formel zur Berechnung der teilweisen Mifführung abgeleitet werden kann. Die Verwunderung wird vollständig, wenn man diesen Versuch mit dem Versuch von Fizeau vergleicht (4.11.3). Fizeau bestätigt durch konkrete Meßergebnisse, die nicht aus dem "Schweigen" des Versuchsapparates herausgedeutet werden, die Fresnel'sche Mitführungsformel. Aber bei ihm ist v die sehr, sehr viel kleinere Geschwindigkeit einer strömenden Flüssigkeit bezüglich der Versuchsanordnung!! Das ist ein gewaltiger und prinzipieller Unterschied!
Das Experiment von Hoek, das theoretisch die Bedingung v = 30 km/s voraussetzt, ist aber praktisch nicht unter dieser Bedingung durchgeführt worden. Der Erdwirbel der latenten Materie führt die Erde vollständig mit. Und weil das Versuchsobjekt keine Geschwindigkeit v gegenüber der Erdoberfläche und gegenüber der latenten Materie hatte, gab es in diesem Versuch auch keine Mitführung.
In vorstehender Formel (S.65)
wurde praktisch mit v = 0 und
= 0 ,,bewiesen", daß
.
Der "eigenartige Trick" bei der Deutung
dieses Versuchsergebnisses besteht darin, daß hier mehrdeutige Versuchsbedingungen
und -ergebnisse, die gar nicht zueinander gehören, miteinander verknüpft
worden sind. Auch dieser Versuch bestätigt unsere Auffassung vom Wirbelprinzip
der latenten Materie.
Der französische Physiker Armand Louis Hippolyte Fizeau (1819-1896) hat die Formel zur Fresnel'schen Mitführungs-Hypothese, die ursprünglich mehr spekulativen Charakter hatte, erstmals experimentell bestätigt. Der Aufbau seiner Versuchsanordnung ähnelt der von Hoek (4.11.2), es sind aber beide Lichtwege mit wassergefüllten Röhren versehen.
Der Versuch von Fizeau hat bereits hinsichtlich seiner Voraussetzungen eine einmalige Besonderheit gegenüber allen anderen "Äthernachweis-Versuchen": Durch die Röhren strömt das Wasser, und zwar so, daß der Lichtstrahl 1 in Richtung des strömenden Wassers, der Lichtstrahl 2 gegen das strömende Wasser verläuft.
In Ermangelung konkreter überlieferter Aussagen seien die für diesen Versuch gemachten Vorausannahmen kurz nachempfunden:
Fizeau dürfte vorausgesetzt haben, daß die Erde den Äther vollständig mitführt, daß also an der Erdoberfläche eine gewisse "Ätherwindstille" herrscht; denn nur so hat es Sinn, den Einfluß des hier gegenüber der Erde strömenden Wassers zu überprüfen. Das entspricht auch unserer Auffassung, nur mit dem "kleinen" Unterschied, daß die Erde von der rotierenden latenten Materie mitgeführt wird.
Die Lichtgeschwindigkeit c gegenüber dem Äther ist konstant.
Lichtgeschwindigkeit im ruhenden Wasser: c1=c/n; n: Brechungsindex.
v ist hier die Strömungsgeschwindigkeit des Wassers gegenüber der erdfesten Versuchsanordnung, also gegenüber dem bezüglich der Erde ruhenden Äther und nicht , wie in anderen Versuchen, die Erdumlaufgeschwindigkeit um die Sonne.
So ist zu erwarten, daß ein Laufzeitunterschied beider Lichtstrahlen nur durch die Strömung des Wassers, nicht aber durch die Drehung der Versuchsanordnung gegenüber der Erde verursacht wird.
Wir formulieren in Anlehnung an (4.11.2):
Würde der Äther vom Wasser nicht
mitgeführt, dann wäre die Lichtgeschwindigkeit im strömenden
Wasser gegenüber der erdfesten Versuchsanordnung unverändert c1. Würde der Äther vom Wasser vollständig mitgeführt,
dann wäre die Lichtgeschwindigkeit im strömenden Wasser gegenüber
der erdfesten Versuchsanordnung c1+v bzw. c1-v.
Die Geschwindigkeit des Lichtstrahls 1
bezüglich der Versuchsanordnung in Bewegungsrichtung des Wassers wird
also als c1+ erwartet, für den
entgegenlaufenden Strahl 2 als c1-.
Ist l die Länge der Wasserstrecke,
dann benötigt Strahl 1 zum Durchlaufen dieser Strecke die Zeit t1
= l/(c1+), der Strahl 2 benötigt
zum Durchlaufen derselben Strecke die Zeit t2 = l/(c1-).
Kurz also: t < t2. Der erwartete Mitführungseffekt müßte
zu einem auswertbaren Laufzeitunterschied der beiden Lichtstrahlen führen.
Fizeau prüfte, ob durch das strömende Wasser das Licht "mitgeführt" wird, indem er beobachtete, ob sich die Interferenzen in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit des Wassers verschoben. Und es trat ein, was unter diesen Versuchsbedingungen erwartet werden muß:
Der Versuchsapparat antwortete, er zeigte eine deutliche Verschiebung der Interferenzen, einen Laufzeitunterschied der beiden Lichtstrahlen und somit eine Bestätigung der Fresnel'schen Mitführungsformel.
Bei allen anderen "Ätherversuchen" ruht das Versuchsobjekt gegenüber der Erdoberfläche, und man geht davon aus, daß sich Erde und Versuchsobjekt mit v = 30 km/s durch den "ruhenden" Weltäther bewegen. Infolge dieses schwerwiegenden Irrtums, der bereits in den Versuchsvoraussetzungen steckt, schweigen alle anderen Ätherversuche.
Die Auswertung dieser "Versuchsergebnisse" war und ist immer nur eine "Deutung des Schweigens". Das gilt auch für den Michelson-Versuch, der experimentellen Grundlage der Relativitätstheorie, einschließlich seiner verfeinerten Varianten und für den oft zitierten Versuch von Trouton und Noble, die in (5.1 bis 5.6) ausführlich dargestellt sind.
Die Geschwindigkeit, mit der sich die Erde durch das Weltall bewegt, bleibt im Versuch von Fizeau völlig unberücksichtigt. Hier wird festgestellt, welche Bewegung der Versuchskörper gegenüber seiner "hautnahen" Umgebung hat und welche direkte stoffliche Wechselwirkung damit verbunden ist. Siehe auch (4.7).
Der "Faserkreisel" zur Messung kleinster Drehzahlen, siehe in (5.7), ist dem Versuch von Fizeau direkt vergleichbar. Die Rolle des strömenden Wassers übernimmt ein langes Glasfaserkabel, das auf eine Trommel gewickelt ist, die gegenüber dem lichttragenden Medium bewegt wird.
Inhalt
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Vorstellungen über die Natur des Lichtes
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elektromagnetische Schwingung
