Von Wasser, äther, Spiegeln, Zahnrädern und Licht

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Meine lieben,
Gerne lese ich dann und wann Weltraumbücher für Kinder, weil ich in ihnen immer mal wieder auf ganz verblüffende kindgerechte Erklärungen physikalischer oder astronomischer Phänomene stoße. Diese Ideen verwende ich dann für meine Kinderveranstaltungen.

gestern hörte ich in dem Astronomiebuch „Hat der Weltraum eine Tür“ für Kinder und Jugendliche der Kinderuniversität Tübingen zum ersten mal von einem spannenden Versuch, mit welchem die Lichtgeschwindigkeit gemessen wurde.
Dieser geniale Versuch ist der Anlass zu diesem Artikel.

In Station sechs zu meiner Serie zu den schwarzen Löchern streiften wir die Messung der Lichtgeschwindigkeit zwar kurz, sind dort aber eher auf weitere Eigenschaften des Lichtes eingegangen. Heute schauen wir uns an, wie man sich allmählich der Lichtgeschwindigkeit mittels verschiedener Versuche annäherte.

Galileis Misserfolg

Sehr frühe Diskussionen über die Geschwindigkeit des Lichts stammen aus dem 17. Jahrhundert. Galileo Galilei war einer der ersten, der versuchte, die Geschwindigkeit des Lichts zu messen. Er nutzte dabei eine Methode, die auf der Beobachtung der Laternensignale entfernter Beobachter basierte. Obwohl er einige Schätzungen machte, war sein Ansatz unzureichend, da die Lichtgeschwindigkeit extrem hoch ist und die technischen Mittel der damaligen Zeit nicht ausreichten, um eine präzise Messung vorzunehmen.
Wie sein Versuch genau ablief, konnte ich nicht herausfinden.

Ein Mond verspätet sich

Im Jahr 1676 stellte der dänische Astronom Ole Roemer fest, dass die Zeiten zu welchen der Mond IO seinen Planeten, Jupiter, verdeckt, je nach der Position der Erde zum Jupiter bis zu mehreren Minuten variierten. Das passte so gar nicht zu den Zeiten, die man mittels Tabellen und Formeln vorausberechnet hatte. Man kann sich gut vorstellen, dass er mit seiner beunruhigenden Beobachtung sofort zu seinem Vorgesetzten, dem großen und berühmten Astronomen Giovanni Domenico Cassini, der zu der Zeit Direktor des Pariser Observatoriums war, ging, um ihm davon zu berichten.
Aus diesen Abweichungen schloss nun Römer, dass das Licht eine endliche Geschwindigkeit haben muss, wenn die Verzögerungen vom Abstand zwischen Jupiter und der Erde abhängig sind. Je nach Position von Erde und Jupiter braucht das Licht einfach länger, bzw. wieder kürzer, um von dem Ereignis der Bedeckung von Jupiter durch seine Monde zu künden. Ja, auch Schatten breitet sich mit Lichtgeschwindigkeit aus…
Und so formulierte er 1676 also die Hypothese, dass die Lichtgeschwindigkeit endlich sein müsse.
Der von Roemer ermittelte Wert für die Geschwindigkeit des Lichtes wich nur um 30 % vom tatsächlichen Wert ab.
Sein Vorgesetzter, Cassini, stimmte zunächst zu und widersprach anschließend, weil er ein Anhänger der damals vorherrschenden Annahme einer augenblicklichen Lichtausbreitung war, die auf René Descartes zurück ging.
Cassini war eine sehr illustre und konservative Persönlichkeit, in welcher sich das alte geozentrische Weltbild, das neue von Kopernikus und so manch andere Ansichten vermischten. Er ist bei Gelegenheit mal einen eigenen Artikel wert.

Von Zahnrädern, Spiegeln und Lichtquellen

Und jetzt kommen wir zu dem in oben erwähnten Kinderbuch beschriebenen Experiment.
Der französische Physiker Armand Fizeau führte 1849 ein bahnbrechendes Experiment durch, das eine präzisere Annäherung an die Lichtgeschwindigkeit ermöglichte.
1849 nahm Fizeau Messungen der Lichtgeschwindigkeit in verschiedenen Medien vor. Seine erste Untersuchung galt der Lichtgeschwindigkeit in Luft, wofür er eine von Galileo Galilei erdachte Methode verfeinerte. Mit einem rotierenden Zahnrad und mit Hilfe zweier Fernrohre konnte er aus der Umdrehungsgeschwindigkeit des Rads und der vom Licht zurückgelegten Strecke die Lichtgeschwindigkeit annähernd berechnen.
Ein Lichtstrahl wurde auf den Spiegel gerichtet und von dort zum rotierenden Zahnrad reflektiert. Abhängig von der Rotationsgeschwindigkeit des Rades konnte der zurückkehrende Strahl entweder durch eine Zahnlücke passieren oder wurde blockiert. Indem er die Rotationsgeschwindigkeit anpasste, konnte Fizeau die Geschwindigkeit des Lichts auf ungefähr 313.000 Kilometer pro Sekunde bestimmen – ein Wert, der erstaunlich nah an der heutigen akzeptierten Lichtgeschwindigkeit von etwa 299.792 Kilometer pro Sekunde liegt.
Der ermittelte Wert, der um fünf Prozent zu hoch war, wurde später von Foucault korrigiert.
Ebenfalls 1849 berechnete Fizeau mit der Methode der Spiegelrotation die Lichtgeschwindigkeit in unbewegtem Wasser, 1851 folgte die Messung in bewegtem Wasser. Anhand der Messergebnisse konnte Fizeau zeigen, dass die Lichtgeschwindigkeit in Wasser geringer ist als in Luft. Die Abhängigkeit der Lichtgeschwindigkeit von der Strömungsrichtung des Wassers ließ sich nicht mit dem Additionsgesetz der Geschwindigkeiten der klassischen Mechanik vereinbaren, weshalb die Fizeau’schen Messungen später von Albert Einstein als experimentum crucis (entscheidendes Experiment) für die spezielle Relativitätstheorie gewertet wurden.

Die Tatsache, dass Licht sich in verschiedenen Medien mit unterschiedlicher Geschwindigkeit bewegt, und dass diese dann auch noch davon abhängt, ob das Medium strömt, oder in Ruhe ist, führt uns unmittelbar zu unserem nächsten Versuch.

Das Grab des Äthers

Bevor wir den besprechen, müssen wir einen kleinen Umweg über die alten Griechen nehmen. Der Zusammenhang wird bald deutlich werden.

…
Aristoteles verwarf aus einigen Gründen die Idee der Atome und des leeren Raumes.
Dass hier auf Erden leichte Gegenstände langsamer als schwere fallen, schrieb er der Tatsache zu, dass es keinen leeren Raum gäbe, ansonsten müssten in ihm alle Gegenstände gleich schnell fallen. Der hätte Augen gemacht, wenn er 1971 hätte sehen Können, wie ein Astronaut gleichzeitig eine Feder und einen Hammer aus Hüfthöhe auf den Mond fallen ließ. Beide Teile, Hammer und Feder erreichten gemeinsam die Mondoberfläche…
Aristoteles erfüllte das Vakuum mit Äther. Diesen Äther, nicht zu verwechseln mit der stark riechenden chemischen Verbindung gleichen Namens, hielt man für eine dünne, universelle Substanz, die den gesamten Raum und auch alle materiellen Körper durchdringen, die sich aber nicht messen lasse. Als Idee hielt sich der Äther bemerkenswert lange und lebte auch dann noch weiter, als der Grund entfallen war, der Aristoteles ursprünglich dazu veranlasst hatte, ihn zu postulieren.
…

Und hier schließt sich nun der Kreis zur Ausbreitung von Licht in ruhenden oder strömenden Medien. Damals war der „Äther-Glaube“ noch topp aktuell. Sollte es ihn tatsächlich geben, dann sollte sich das Licht gegen oder mit der Bewegung der Erde um sich selbst und um die Sonne mit unterschiedlicher Geschwindigkeit ausbreiten.

1887 führten die beiden Amerikanischen Physiker Michelson und Morley einen Versuch durch, der das Grab des Äthers werden sollte.
Ausgangspunkt ihres Versuches war genau die oben schon erwähnte Idee, dass wenn es einen Äther gäbe, sollte man in Bewegungsrichtung der Erde durch ihn hindurch eine Art Äther-Wind nachweisen können. Das ist dann vergleichbar mit einem Schiff, das durch das Wasser pflügt. Wellen breiten sich gegen die Fahrtrichtung des Schiffes mit weniger Geschwindigkeit aus, als in Fahrtrichtung.
Das sollte mit in den Äther einfallendem Licht nicht anders sein.
Es sollte gegen den Äther-Wind langsamer sein, als mit ihm.
Solch einen Effekt jedoch konnten die beiden Wissenschaftler nicht nachweisen. Das bedeutet, dass sich Licht mit konstanter Geschwindigkeit von 300.000 km/s durch den Raum, durch das Vakuum bewegt und dass das Vakuum letztlich nicht von einem Äther erfüllt ist.
Licht genügt das Vakuum als Medium.
Es benötigt keinen weiteren Stoff hierzu, wie beispielsweise der Schall die Luft.

Wikipedia erklärt den Versuchsaufbau in aller Kürze so:

Um die Relativgeschwindigkeit von Erde und Äther festzustellen, wurde ein Lichtstrahl über einen halbdurchlässigen Spiegel auf zwei verschiedene Wege getrennt, reflektiert und am Ende wieder zusammengeführt, sodass sich ein Interferenzmuster stehender Lichtwellen bildete (Michelson-Interferometer). Aufgrund der Bewegung der Erde im Äther ergäbe sich, dass ein Lichtstrahl in Bewegungsrichtung länger benötigt als ein Strahl senkrecht dazu. Da sich der Apparat als Teil der Drehung der Erde um die Sonne relativ zum vermuteten Äther bewegte, erwartete man Verschiebungen der Interferenzstreifen, wenn der Apparat gedreht wird. Albert A. Michelson führte das Experiment, das wegen der im Verhältnis zur Lichtgeschwindigkeit c geringen Bahngeschwindigkeit v der Erde nicht einfach war, zuerst 1881 durch, jedoch war hier die Genauigkeit nicht ausreichend, denn Michelson hatte in seinen Berechnungen die Veränderung des Lichtweges senkrecht zur Bewegungsrichtung nicht einbezogen. 1887 wiederholten er und Edward W. Morley das Experiment mit ausreichender Genauigkeit. Obwohl das Ergebnis nicht vollständig negativ war (zwischen 5 und 8 km/s), war es nach Einschätzung von Michelson und anderen Physikern jener Zeit viel zu gering, um etwas mit dem erwarteten Ätherwind zu tun zu haben. Wenn nicht nur die Relativgeschwindigkeit der Erde zur Sonne von 30 km/s berücksichtigt wird, sondern auch die – zu Michelsons Zeit noch unbekannte – Rotationsgeschwindigkeit des Sonnensystems um das galaktische Zentrum von ca. 220 km/s und die Relativgeschwindigkeit zwischen dem Sonnensystem und dem Ruhesystem der kosmischen Hintergrundstrahlung von ca. 377 km/s, so wären nochmals größere Werte zu erwarten. Darüber hinaus haben spätere, bis in die heutige Zeit durchgeführte Messungen die ursprüngliche Methode Michelsons weiter verfeinert und lieferten im Rahmen der Messgenauigkeit vollständige Nullresultate.

Danke Wiki…
Irgendwie erinnert mich der Versuchsaufbau fast an den Aufbau der Messgeräte zum Nachweis von Gravitationswellen. Und die Frage, die mit diesem Versuch an das Licht gestellt wird, ist eindeutig eine Wellen-Frage. Hier ist das Licht also Welle und nicht Teilchen.
Ist das nicht schön?

Fazit

Und hier kommt noch ein kleines Fazit von mir und ChatGPT:

Wir haben erlebt, dass die Messung der Lichtgeschwindigkeit eine sehr spannende Reise durch die Physik ist. Würde man alles vertiefen, was wir hier leider nur streifen konnten, dann könnte man damit locker ein dickes Buch füllen.
Von den frühen Schätzungen und Annäherungen bis hin zu den hochpräzisen modernen Techniken hat die Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit unser Verständnis des Universums und der Naturgesetze revolutioniert. Die Lichtgeschwindigkeit bleibt ein wesentlicher Bestandteil der modernen Physik und wird auch in Zukunft weiterhin eine Quelle der Inspiration für Wissenschaftler auf der ganzen Welt sein.

Und wer sich noch mehr für Licht, Interferenz, seine weiteren Eigenschaften, , Äther, und das Vakuum interessiert, dem empfehle ich meine Artikel

• Die Reise zu den schwarzen Löchern, Station sechs
• Nichts ist auch was und
• Die Leere füllt sich wieder.