Pro und Kontra

Das Michelson-Morley Experiment wurde 1887 von den beiden Physikern Albert Abraham Michelson und Edward Morley durchgeführt umd die Existenz des Lichtäthers nachzuweisen. Laut Äthertheorie sollte die Lichtgeschwindigkeit in Bewegungsrichtung der Erde um die Erdgeschwindigkeit geringer und in Gegenrichtung um diese Geschwindigkeit höher sein. Um diesen Unterschied zu messen bauten sie auf einer auf Quecksilber schwimmenden Steinplatte einen Versuch auf, bei dem ein monochromatischer Lichtstrahl über Spiegel im rechten Winkel aufgespaltet und reflektiert wurde. Kleinste Veränderungen an der Geschwindigkeit der Lichtstrahlen sollten zu Veränderungen von Interferenzmustern auf einem Beobachtungsschirm führen. Durch Drehen der gesamten Versuchsandordnung sollten sich genau diese Veränderungen ergeben. Doch entgegen der vorherrschenden Theorie geschah nichts. [1] (Originalveröffentlichung)

Mit seiner speziellen Relativitätstheorie (SRT) gelang es Albert Einstein 1905 eine stimmige Erklärung für das Nullergebnis von Michelson und Morley zu liefern, indem er alle linear bewegten Systeme gegeneinander als gleichwertig postulierte. [2] (kommentierte Originalveröffentlichung: "Zur Elektrodynamik bewegter Körper") Alle Naturkonstanten sind dabei unabhängig von der Geschwindigkeit des betrachteten Systems konstant, selbst die Lichtgeschwindigkeit. Ein ruhender Äther als Bezugssystem wurde damit überflüssig.

Ein modernes Michelson-Morley-Experiment wird seit Oktober 2002 in einer Arbeitsgruppe an der Humboldt-Universität zu Berlin mit bisher unerreichter Genauigkeit durchgeführt. Die Gruppe um Achim Peters misst in ihrem Experiment die Laufzeit eines Lichtstrahles, der in einem optischen Resonator etwa 100.000 Mal reflektiert wird. Trotz höchster Präzision konnte jedoch keinerlei Abweichung von der SRT gemessen werden. [3] (mehr dazu...)

Mit einem Myonen-Zählversuch konnten bereits 1963 die Wissenschaftler Frisch und Smith indirekt die Zeitdilatation nachweisen. Die Myonen entstehen in ca. 15km Höhe und haben nahezu Lichtgeschwindigkeit (0,9994c). Bei einer Halbwertszeit von nur 1,5µs müsste bereits nach 450m die Hälfte aller Myonen zerfallen sein. Dem widerspricht jedoch die Tatsache, dass noch ein hoher Prozentsatz an Myonen am Erdboden festgestellt werden kann. Erst eine verlängerte Lebensdauer der Teilchen aufgrund der Zeitdilatation gibt eine Erklärung dafür, dass sie die Strecke bis zur Erdoberfläche überstehen. [4]

Mit Hilfe künstlicher Myonen in einem Speicherring des europäischen Kernforschungszentrums CERN konnten diese Ergebnisse eindeutig bestätigt werden. [5]

Über den Vergleich von Atomuhren die an Bord von Linienflugzeugen installiert wurden, konnten 1971 die amerikanischen Physiker Hafele und Keating einen noch direkteren Nachweis für die Zeitdilatation erbringen. Bei ihren Messungen stellte sich heraus, dass aufgrund der Beschleunigungsphasen eine Zeitdliatation gemäß der allgemeinen Relativitätstheorie auftrat, zudem gingen die Uhren je nach Flugrichtung entsprechend der speziellen Relativitätstheorie langsamer bzw. schneller als vergleichbare Uhren am Erdboden. [6] (mehr dazu...)

Doch trotz der überwältigenden Beweislast gibt es auch Widersprüche in den Postulaten der SRT.

Das Zwillingsparadoxon ist das wohl am häufigsten zitierte Paradoxon der Relativitätstheorie (siehe auch Wikipedia). Es besagt, dass, eigentlich keine tatsächlichen Altersunterschiede zwischen unterschiedlich bewegten Zwillingen auftreten dürften, denn laut Einstein sind alle linear bewegten Inertialsystem untereinander absolut gleichwertig. Zwar würden die Uhren des einen Zwillings während des Fluges aus Sicht des jeweils anderen Zwillingsbruders langsamer gehen, aber sobald sich beide Zwillinge treffen, müßte sich dieser Effekt aufheben und beide wären weiterhin gleich alt. Die Tatsache, dass Hefele und Keating jedoch die Zeitdilatation als absoluten Effekt nachgewiesen haben, legt die Vermutung nahe, dass es messbare Unterschiede zwischen unterschiedlich bewegten Inertialsystemen gibt. Dabei ist anzumerken, dass Hefele und Keating ihre Messungen um die Beschleunigungs- und Masseneffekte der allgemeinen Relativitätstheorie bereinigt haben. Auch beim Myonen-Zählversuch wird das Relativitätsprinzip stillschweigend ignoriert und die Erde als übergeordnetes Bezugssystem definiert.

Ein ruhendes, kosmisches Bezugssystem wurde bereits 1965 nachgewiesen, als Arno Penzias und Robert Wilson ein "Echo" des Urknalls in Form eines extrem gleichförmigen Hintergrundrauschens mit der Energie von 3K entdeckten. 1976 und 1977 wollten Richard Muller und seine Mitarbeiter diese 3-K-Radioenergie mit höchster Präzision messen. Bei ihren Versuchen an Bord eines U2-Flugzeuges entdeckten sie, dass die 3-K-Radioenergie in Richtung Sternbild Löwe stark rotverschoben war. Die Wissenschaftler leiteten aus diesem Effekt ab, dass sich die Erde nicht nur mit ca. 30km/s um die Sonne bewegt, sondern, dass die gesamte Milchstraße mit gewaltiger Geschwindigkeit von einem imaginären, ruhenden Zentrum wegrast. Diese Messung wurde mit unterschiedlichen Verfahren durchgeführt. Laut Nigel Calder maß Muller eine Absolutgeschwindigkeit von 650km/s [7], Thim zitiert in seinen Arbeiten einen Wert von 360km/s [8], und Marinov ermittelte einen Wert von 320km/s [9]. Obwohl die Aussagen deutlich variieren ist eines sicher, sollte es einen Äther geben, so bewegt sich die Erde gegenüber diesem Äther mit 0,1%-0,2% von c, was zu messbaren, relativistischen Effekten führen müßte.

Die Existenz des Äthers wurde auch von Einstein selbst in seiner Antrittsrede an der Reichsuniversität Leiden am 5. Mai 1920 eingeräumt: "Über die Rolle, welche der neue Äther im physikalischen Weltbild der Zukunft zu spielen berufen ist, sind wir noch nicht im Klaren. Wir wissen, dass er die metrischen Beziehungen im raum-zeitlichen Kontinuum, z. B. die Konfigurationsmöglichkeiten fester Körper sowie die Gravitationsfelder bestimmt; aber wir wissen nicht, ob er am Aufbau der die Materie konstituierenden elektrischen Elementarteilchen einen wesentlichen Anteil hat. [..] Gemäß der allgemeinen Relativitätstheorie ist ein Raum ohne Äther undenkbar." [10] (mehr dazu...)

[1] Michelson, Morley, The American Journal of Science, No 203, 333 pp (Nov 1887)
[2] A. Einstein, Zur Elektrodynamik bewegter Körper, Annalen der Physik und Chemie, Jg. 17, pp. 891–921 (1905)
[3] Holger Müller, Achim Peters: Einsteins Theorie auf dem optischen Prüfstand: Spezielle Relativitätstheorie, Physik in unserer Zeit 35(2), pp. 70-75 (2004)
[4] D.H. Frisch and J.H. Smith, Measurement of the Relativistic Time Dilation Using Mesons, American Journal of Phys., 31, pp. 342-355 (1963)
[5] Joachim Grehn: Elektromagnetische Schwingungen und Wellen, die Spezielle Relativitätstheorie, Vieweg Physik, Teil 4, p. 349 (1981)
[6] J.C. Hafele and R.E. Keating, Science 177, pp. 166-168 and pp. 168-170 (1972)
[7] Calder, Nigel, Einstein’s Universe, British Broadcasting Corporation, Chapt. 17 (1979)
[8] Thim, Hartwig, An experimental setup for measuring the one-way-phase velocity of a microwave signal, NPA’s 12th Annual Conference at Uconn-Storrs, (2005)
[9] S. Marinov, Measurement of the Laboratory’s Absolute Velocity, General Relativity and Gravitation, vol. 12, No. 1, pp. 57-66, (1980)
[10] A. Einstein, Antrittsrede zur Gastprofessur in Leiden am 5.5.1920, Springer, 15 pages (1920)