Michelson-Morley-Experiment - Michelson–Morley experiment

Abbildung 1. Interferometrischer Aufbau von Michelson und Morley , montiert auf einer Steinplatte, die in einer ringförmigen Quecksilberwanne schwimmt

Das Michelson-Morley-Experiment war ein Versuch, die Existenz des leuchtenden Äthers nachzuweisen , einem vermeintlichen Medium, das den Raum durchdringt, der als Träger von Lichtwellen galt . Das Experiment wurde zwischen April und Juli 1887 von den amerikanischen Physikern Albert A. Michelson und Edward W. Morley an der heutigen Case Western Reserve University in Cleveland , Ohio , durchgeführt und im November desselben Jahres veröffentlicht.

Das Experiment verglich die Lichtgeschwindigkeit in senkrechten Richtungen, um die relative Bewegung der Materie durch den stationären leuchtenden Äther ("Ätherwind") zu erfassen . Das Ergebnis war insofern negativ, als Michelson und Morley keinen signifikanten Unterschied zwischen der Lichtgeschwindigkeit in Bewegungsrichtung durch den vermuteten Äther und der Geschwindigkeit im rechten Winkel fanden. Dieses Ergebnis wird allgemein als der erste starke Beweis gegen die damals vorherrschende Äthertheorie angesehen und leitet eine Forschungslinie ein, die schließlich zu einer speziellen Relativitätstheorie führte , die einen stationären Äther ausschließt. Über dieses Experiment schrieb Einstein : "Wenn uns das Michelson-Morley-Experiment nicht ernsthaft in Verlegenheit gebracht hätte, hätte niemand die Relativitätstheorie als (halbe) Erlösung angesehen."

Experimente vom Michelson-Morley-Typ wurden viele Male mit stetig steigender Empfindlichkeit wiederholt. Dazu gehören Experimente von 1902 bis 1905 und eine Reihe von Experimenten in den 1920er Jahren. In jüngerer Zeit, im Jahr 2009, bestätigten optische Resonatorexperimente das Fehlen jeglicher Ätherwinde auf dem 10 -17- Niveau. Zusammen mit den Ives-Stilwell- und Kennedy-Thorndike -Experimenten bilden Experimente vom Michelson-Morley-Typ einen der grundlegenden Tests der speziellen Relativitätstheorie .

Den Äther entdecken

Physics Theorien des 19. Jahrhunderts angenommen , dass ebenso wie Oberflächenwasserwellen eine Stützsubstanz aufweisen muss, dh ein „Medium“ zu bewegen , quer (in diesem Fall Wasser) und hörbarer Ton erfordert ein Medium seine Wellenbewegungen zu übertragen (wie beispielsweise Luft oder Wasser), so braucht das Licht auch ein Medium, den „ leuchtenden Äther “, um seine Wellenbewegungen zu übertragen. Da Licht durch ein Vakuum wandern kann, wurde angenommen, dass auch ein Vakuum mit Äther gefüllt sein muss. Da die Lichtgeschwindigkeit so groß ist und materielle Körper den Äther ohne offensichtliche Reibung oder Widerstand durchdringen, wurde angenommen, dass er eine höchst ungewöhnliche Kombination von Eigenschaften besitzt. Die Entwicklung von Experimenten zur Untersuchung dieser Eigenschaften war eine hohe Priorität der Physik des 19. Jahrhunderts.

Die Erde umkreist die Sonne mit einer Geschwindigkeit von etwa 30 km/s (18,64 mi/s) oder 108.000 km/h (67.000 mph). Die Erde in Bewegung ist, so im Wesentlichen zwei Möglichkeiten in Betracht gezogen wurden: (1) Die aether stationär ist und nur teilweise gezogen , indem Erde (vorgeschlagen von Augustin-Jean Fresnel in 1818), oder (2) wird der Äther geschleppt vollständig von der Erde und damit teilt seine Bewegung an der Erdoberfläche (vorgeschlagen von Sir George Stokes, 1. Baronet im Jahr 1844). Darüber hinaus erkannte James Clerk Maxwell (1865) die elektromagnetische Natur des Lichts und entwickelte die sogenannten Maxwell-Gleichungen , aber diese Gleichungen wurden immer noch so interpretiert, dass sie die Bewegung von Wellen durch einen Äther beschreiben, dessen Bewegungszustand unbekannt war. Schließlich wurde Fresnels Idee eines (fast) stationären Äthers bevorzugt, weil sie durch das Fizeau-Experiment (1851) und die Aberration des Sternenlichts bestätigt zu werden schien .

Abbildung 2. Eine Darstellung des Konzepts des " Ätherwindes "

Nach der stationären und der teilweise geschleppten Äther-Hypothese befinden sich Erde und Äther in relativer Bewegung, was bedeutet, dass ein sogenannter „Ätherwind“ (Abb. 2) existieren sollte. Obwohl es theoretisch möglich wäre, dass die Bewegung der Erde zu einem bestimmten Zeitpunkt mit der des Äthers übereinstimmt, war es der Erde nicht möglich, jederzeit in Bezug auf den Äther in Ruhe zu bleiben, wegen der Variation in sowohl die Richtung als auch die Geschwindigkeit der Bewegung. An jedem Punkt der Erdoberfläche würden Stärke und Richtung des Windes mit der Tages- und Jahreszeit variieren. Durch die Analyse der Rückkehrgeschwindigkeit des Lichts in verschiedene Richtungen zu verschiedenen Zeiten dachte man, es sei möglich, die Bewegung der Erde relativ zum Äther zu messen. Der erwartete relative Unterschied der gemessenen Lichtgeschwindigkeit war recht gering, da die Geschwindigkeit der Erde auf ihrer Umlaufbahn um die Sonne eine Größenordnung von etwa einem Hundertstel Prozent der Lichtgeschwindigkeit hat.

Während der Mitte des 19. Jahrhunderts hielt man Messungen von Ätherwindeffekten erster Ordnung, dh Effekte proportional zu v / c ( v ist die Erdgeschwindigkeit, c die Lichtgeschwindigkeit), für möglich, aber keine direkte Messung der Geschwindigkeit von Licht war mit der erforderlichen Genauigkeit möglich. Zum Beispiel konnte der Fizeau-Foucault-Apparat die Lichtgeschwindigkeit mit einer Genauigkeit von vielleicht 5 % messen, was völlig unzureichend war, um eine Änderung der Lichtgeschwindigkeit erster Ordnung von 0,01 % direkt zu messen. Einige Physiker versuchten daher, indirekte Effekte erster Ordnung nicht der Lichtgeschwindigkeit selbst, sondern der Variationen der Lichtgeschwindigkeit zu messen (siehe Äther-Drift-Experimente erster Ordnung ). Das Hoek-Experiment zum Beispiel sollte interferometrische Streifenverschiebungen aufgrund von Geschwindigkeitsunterschieden von sich entgegengesetzt ausbreitenden Lichtwellen durch ruhendes Wasser nachweisen. Die Ergebnisse solcher Experimente waren alle negativ. Dies könnte mit dem Schleppkoeffizienten von Fresnel erklärt werden , nach dem der Äther und damit das Licht teilweise von bewegter Materie mitgezogen wird. Partielles Ziehen des Äthers würde Versuche vereiteln, jede Änderung der Lichtgeschwindigkeit erster Ordnung zu messen. Wie Maxwell (1878) betonte, hätten nur experimentelle Anordnungen, die Effekte zweiter Ordnung messen können, eine Hoffnung, Ätherdrift, dh Effekte proportional zu v 2 / c 2 , zu erkennen . Bestehende Versuchsanordnungen waren jedoch nicht empfindlich genug, um Effekte dieser Größenordnung zu messen.

1881- und 1887-Experimente

Michelson-Experiment (1881)

Michelsons 1881 Interferometer . Obwohl letztlich erwies es sich als unfähig zwischen unterschiedlichen Theorien zu unterscheiden Äthers -dragging, sofern seine Konstruktion wichtige Lehren für die Gestaltung von Michelson und 1887 Instruments Morley.

Michelson hatte eine Lösung für das Problem, ein Gerät zu konstruieren, das ausreichend genau ist, um den Ätherfluss zu erkennen. Im Jahr 1877 führte Michelson während seiner Lehrtätigkeit an seiner Alma Mater, der United States Naval Academy in Annapolis, seine ersten bekannten Lichtgeschwindigkeitsexperimente als Teil einer Demonstration im Klassenzimmer durch. 1881 verließ er den aktiven US-Marinedienst, während er sein Studium in Deutschland abschloss. In diesem Jahr benutzte Michelson einen Prototyp eines experimentellen Geräts, um mehrere weitere Messungen durchzuführen.

Das von ihm entwickelte Gerät, das später als Michelson-Interferometer bekannt wurde , schickte gelbes Licht von einer Natriumflamme (zur Ausrichtung) oder weißes Licht (für die eigentlichen Beobachtungen) durch einen halbversilberten Spiegel , der verwendet wurde, um es in zwei wandernde Strahlen aufzuspalten im rechten Winkel zueinander. Nach dem Verlassen des Teilers wanderten die Strahlen zu den Enden langer Arme, wo sie von kleinen Spiegeln in die Mitte zurückgeworfen wurden. Sie rekombinierten dann auf der anderen Seite des Teilers in einem Okular und erzeugten ein Muster konstruktiver und destruktiver Interferenz, dessen Querverschiebung von der relativen Zeit abhängen würde, die das Licht benötigt, um die Längs- und die Querarme zu passieren. Wenn sich die Erde durch ein Äthermedium bewegt, braucht ein Lichtstrahl, der sich parallel zur Strömung dieses Äthers bewegt, länger, um hin und her zu reflektieren, als ein Strahl, der sich senkrecht zum Äther bewegt, weil die verstrichene Zeit durch die Bewegung gegen den Äther verlängert wird Wind ist mehr als die Zeitersparnis durch Reisen mit dem Ätherwind. Michelson erwartete, dass die Bewegung der Erde eine Streifenverschiebung von 0,04 Streifen erzeugen würde, d. h. der Trennung zwischen Bereichen gleicher Intensität. Er beobachtete die erwartete Verschiebung nicht; die größte von ihm gemessene durchschnittliche Abweichung (in nordwestlicher Richtung) betrug nur 0,018 Streifen; die meisten seiner Messungen waren viel weniger. Seine Schlussfolgerung war, dass Fresnels Hypothese eines stationären Äthers mit teilweiser Ätherschleppung zurückgewiesen werden müsste, und damit bestätigte er Stokes' Hypothese des vollständigen Ätherschleppens.

Doch Alfred Potier (und später Hendrik Lorentz ) wies auf Elson darauf hin , dass er einen Fehler der Berechnung gemacht hatte, und dass die erwartete Streifenverschiebung sollte nur 0,02 Fransen gewesen sein. Michelsons Apparat war experimentellen Fehlern ausgesetzt, die viel zu groß waren, um etwas schlüssiges über den Ätherwind sagen zu können. Eine definitive Messung des Ätherwinds würde ein Experiment mit größerer Genauigkeit und besseren Kontrollen als das Original erfordern. Dennoch konnte der Prototyp erfolgreich demonstrieren, dass die grundlegende Methode machbar ist.

Michelson-Morley-Experiment (1887)

Abbildung 5. Diese Abbildung zeigt den gefalteten Lichtweg des Michelson-Morley-Interferometers, der eine Weglänge von 11 m ermöglichte. a ist die Lichtquelle, eine Öllampe . b ist ein Strahlteiler . c ist eine Kompensationsplatte, so dass sowohl der reflektierte als auch der transmittierte Strahl die gleiche Glasmenge durchlaufen (wichtig, da Experimente mit weißem Licht durchgeführt wurden, das eine extrem kurze Kohärenzlänge hat, die eine genaue Anpassung der optischen Weglängen erfordert, damit die Streifen sichtbar sind; monochromatisch Natriumlicht wurde nur für die anfängliche Ausrichtung verwendet). d , d' und e sind Spiegel. e' ist ein Feineinstellungsspiegel. f ist ein Teleskop .

Im Jahr 1885 begann Michelson eine Zusammenarbeit mit Edward Morley und investierte viel Zeit und Geld, um Fizeaus 1851-Experiment zum Fresnel-Widerstandskoeffizienten mit höherer Genauigkeit zu bestätigen , Michelsons 1881-Experiment zu verbessern und die Wellenlänge des Lichts als Längenstandard festzulegen . Michelson war zu dieser Zeit Professor für Physik an der Case School of Applied Science und Morley war Professor für Chemie an der Western Reserve University (WRU), die sich einen Campus mit der Case School am östlichen Rand von Cleveland teilte. Michelson erlitt im September 1885 einen Nervenzusammenbruch , von dem er sich im Oktober 1885 erholte. Morley führte diesen Zusammenbruch auf die intensive Arbeit von Michelson während der Vorbereitung der Experimente zurück. 1886 bestätigten Michelson und Morley erfolgreich den Luftwiderstandsbeiwert von Fresnel – dieses Ergebnis galt auch als Bestätigung des stationären Ätherkonzepts.

Dieses Ergebnis stärkte ihre Hoffnung, den Ätherwind zu finden. Michelson und Morley erstellten eine verbesserte Version des Michelson-Experiments mit mehr als ausreichender Genauigkeit, um diesen hypothetischen Effekt zu erkennen. Das Experiment wurde in mehreren Zeiträumen konzentrierter Beobachtungen zwischen April und Juli 1887 im Keller des Adelbert Dormitory der WRU (später umbenannt in Pierce Hall, abgerissen 1962) durchgeführt.

Wie in Abb. 5 gezeigt, wurde das Licht entlang der Arme des Interferometers wiederholt hin und her reflektiert, wodurch sich die Weglänge auf 11 m (36 ft) vergrößerte. Bei dieser Länge würde die Drift etwa 0,4 Streifen betragen. Um dies leicht nachweisbar zu machen, wurde die Apparatur in einem geschlossenen Raum im Keller des schweren Steinschlafsaals aufgebaut, wodurch die meisten thermischen und Vibrationseffekte eliminiert wurden. Vibrationen wurden weiter reduziert, indem die Apparatur auf einem großen Sandsteinblock (Abb. 1) aufgebaut wurde, der ungefähr einen Fuß dick und fünf Fuß (1,5 m) groß war und dann in einer kreisförmigen Quecksilberwanne schwamm. Sie schätzten, dass Effekte von etwa 0,01 Fransen nachweisbar wären.

Abbildung 6. Streifenmuster erzeugt mit einem Michelson-Interferometer unter Verwendung von weißem Licht . Wie hier konfiguriert, ist der mittlere Rand eher weiß als schwarz.

Michelson und Morley und andere frühe Experimentatoren, die interferometrische Techniken verwendeten, um die Eigenschaften des leuchtenden Äthers zu messen, verwendeten (teilweise) monochromatisches Licht nur für die anfängliche Einrichtung ihrer Geräte und wechselten für die eigentlichen Messungen immer auf weißes Licht. Der Grund ist, dass die Messungen visuell aufgezeichnet wurden. Rein monochromatisches Licht würde zu einem gleichmäßigen Streifenmuster führen. Da es an modernen Mitteln zur Kontrolle der Umgebungstemperatur fehlte , kämpften Experimentatoren mit ständiger Streifendrift, selbst wenn das Interferometer in einem Keller aufgestellt war. Da die Fransen gelegentlich aufgrund von Vibrationen, die durch vorbeifahrenden Pferdeverkehr, entfernte Gewitter und dergleichen verursacht werden, verschwinden würden, könnte ein Beobachter leicht "verirren", wenn die Fransen wieder sichtbar werden. Die Vorteile des weißen Lichts, das ein markantes farbiges Streifenmuster erzeugte, überwogen bei weitem die Schwierigkeiten beim Ausrichten des Geräts aufgrund seiner geringen Kohärenzlänge . Wie Dayton Miller schrieb: "Für die Beobachtungen wurden Weißlichtstreifen gewählt, weil sie aus einer kleinen Gruppe von Streifen mit einem zentralen, scharf definierten schwarzen Rand bestehen, der eine permanente Null-Referenzmarke für alle Ablesungen bildet." Die Verwendung von teilweise monochromatischem Licht (gelbes Natriumlicht) während der anfänglichen Ausrichtung ermöglichte es den Forschern, die Position gleicher Weglänge mehr oder weniger leicht zu lokalisieren, bevor sie auf weißes Licht umstellten.

Die Quecksilberwanne ermöglichte es dem Gerät, sich nahezu reibungsfrei zu drehen, so dass der Sandsteinblock nach einem einzigen Schub langsam durch den gesamten Bereich möglicher Winkel zum "Ätherwind" rotieren konnte, während die Messungen kontinuierlich durch Blicke beobachtet wurden durch das Okular. Die Hypothese der Ätherdrift impliziert, dass, weil sich einer der Arme unweigerlich gleichzeitig mit einem anderen Arm senkrecht zum Wind in die Windrichtung drehen würde, ein Effekt sogar über einen Zeitraum von Minuten spürbar sein sollte.

Die Erwartung war, dass der Effekt als Sinuswelle mit zwei Spitzen und zwei Tälern pro Umdrehung des Geräts grafisch dargestellt werden kann. Dieses Ergebnis hätte erwartet werden können, da jeder Arm während jeder vollen Umdrehung zweimal parallel zum Wind wäre (in den Wind und von ihm weg zeigend, was identische Messwerte ergibt) und zweimal senkrecht zum Wind. Darüber hinaus ist zu erwarten, dass der Wind aufgrund der Erdrotation im Verlauf eines Sterntages periodische Richtungs- und Magnitudenänderungen zeigt .

Aufgrund der Bewegung der Erde um die Sonne wurde erwartet, dass die Messdaten auch jährliche Schwankungen aufweisen.

Berühmtestes "fehlgeschlagenes" Experiment

Abbildung 7. Ergebnisse von Michelson und Morley. Die obere durchgezogene Linie ist die Kurve für ihre Beobachtungen am Mittag und die untere durchgezogene Linie ist die für ihre abendlichen Beobachtungen. Beachten Sie, dass die theoretischen Kurven und die beobachteten Kurven nicht im gleichen Maßstab aufgetragen sind: Die gepunkteten Kurven repräsentieren tatsächlich nur ein Achtel der theoretischen Verschiebungen.

Nach all diesen Überlegungen und Vorbereitungen wurde das Experiment das berühmteste gescheiterte Experiment der Geschichte. Anstatt einen Einblick in die Eigenschaften des Äthers zu geben, berichtete der Artikel von Michelson und Morley im American Journal of Science , dass die Messung nur ein Vierzigstel der erwarteten Verschiebung beträgt (Abb. 7), aber "da die Verschiebung proportional ist zu das Quadrat der Geschwindigkeit" schlossen sie, dass die gemessene Geschwindigkeit "wahrscheinlich weniger als ein Sechstel" der erwarteten Geschwindigkeit der Erdbewegung im Orbit und "sicherlich weniger als ein Viertel" betrug. Obwohl diese kleine "Geschwindigkeit" gemessen wurde, wurde sie als viel zu klein angesehen, um als Beweis für die Geschwindigkeit relativ zum Äther verwendet zu werden, und es wurde angenommen, dass sie im Bereich eines experimentellen Fehlers liegt, der es ermöglichen würde, dass die Geschwindigkeit tatsächlich Null beträgt. Michelson schrieb zum Beispiel in einem Brief an Lord Rayleigh im August 1887 über das „entschieden negative Ergebnis“ :

Die Experimente über die Relativbewegung von Erde und Äther sind abgeschlossen und das Ergebnis eindeutig negativ. Die erwartete Abweichung der Interferenzstreifen vom Nullpunkt hätte 0,40 eines Streifens betragen sollen – die maximale Verschiebung betrug 0,02 und der Durchschnitt deutlich weniger als 0,01 – und dann nicht an der richtigen Stelle. Da die Verschiebung proportional zu den Quadraten der relativen Geschwindigkeiten ist, folgt daraus, dass die relative Geschwindigkeit weniger als ein Sechstel der Erdgeschwindigkeit beträgt, wenn der Äther vorbeirutscht.

—  Albert Abraham Michelson, 1887

Aus Sicht der damals aktuellen Äthermodelle waren die experimentellen Ergebnisse widersprüchlich. Das Fizeau-Experiment und seine Wiederholung von 1886 durch Michelson und Morley bestätigten anscheinend den stationären Äther mit teilweisem Ätherschleppen und widerlegten das vollständige Ätherschleppen. Andererseits bestätigte das viel genauere Michelson-Morley-Experiment (1887) offenbar das vollständige Ätherschleppen und widerlegte den stationären Äther. Darüber hinaus wurde das Michelson-Morley-Nullergebnis durch die Nullergebnisse anderer Experimente zweiter Ordnung anderer Art, nämlich des Trouton-Noble-Experiments (1903) und der Experimente von Rayleigh und Brace (1902-1904), weiter untermauert . Diese Probleme und ihre Lösung führten zur Entwicklung der Lorentz-Transformation und der speziellen Relativitätstheorie .

Nach dem "fehlgeschlagenen" Experiment stellten Michelson und Morley ihre Ätherdriftmessungen ein und begannen, ihre neu entwickelte Technik zu verwenden, um die Wellenlänge des Lichts als Längenstandard festzulegen .

Lichtweganalyse und Konsequenzen

Beobachter ruht im Äther

Erwartete differentielle Phasenverschiebung zwischen Licht, das die Längs- und die Querarme des Michelson-Morley-Apparats wandert

Die Strahllaufzeit in Längsrichtung lässt sich wie folgt ableiten: Licht wird von der Quelle ausgesandt und breitet sich mit Lichtgeschwindigkeit im Äther aus. Es passiert den halbversilberten Spiegel im Ursprung bei . Der reflektierende Spiegel befindet sich in diesem Moment im Abstand (der Länge des Interferometerarms) und bewegt sich mit Geschwindigkeit . Der Strahl trifft rechtzeitig auf den Spiegel und legt so die Strecke zurück . Zu diesem Zeitpunkt hat der Spiegel die Entfernung zurückgelegt . Somit und damit auch die Reisezeit . Die gleiche Überlegung gilt für die Rückfahrt mit umgekehrtem Vorzeichen , was zu und führt . Die Gesamtreisezeit beträgt:

Michelson hat diesen Ausdruck 1881 richtig erhalten, in Querrichtung jedoch den falschen Ausdruck

weil er die erhöhte Weglänge im Ruhesystem des Äthers übersehen hat. Dies wurde von Alfred Potier (1882) und Hendrik Lorentz (1886) korrigiert . Die Ableitung in transversaler Richtung kann wie folgt angegeben werden (analog zur Ableitung der Zeitdilatation mit einer Lichtuhr ): Der Strahl breitet sich mit Lichtgeschwindigkeit aus und trifft zum Zeitpunkt auf den Spiegel , wobei er die Strecke zurücklegt . Gleichzeitig hat der Spiegel die Strecke in x- Richtung zurückgelegt. Um auf den Spiegel zu treffen, verläuft der Weg des Strahls also in y- Richtung (bei gleich langen Armen) und in x- Richtung. Dieser geneigte Verfahrweg folgt aus der Transformation vom Interferometer-Ruherahmen in den Äther-Ruherahmen. Daher gibt der Satz des Pythagoras die tatsächliche Strahlwegstrecke von . Somit und damit auch die Fahrzeit , die für die Rückfahrt gleich ist. Die Gesamtreisezeit beträgt:

Die Zeitdifferenz zwischen T und T t ist gegeben durch

Um die Pfaddifferenz zu ermitteln, multiplizieren Sie einfach mit c;

Die Wegdifferenz wird mit bezeichnet, da die Strahlen um eine gewisse Anzahl von Wellenlängen (λ) phasenverschoben sind. Um dies zu visualisieren, ziehen Sie in Betracht, die beiden Strahlengänge entlang der Längs- und Querebene zu nehmen und sie gerade zu legen (eine Animation davon wird bei Minute 11:00, The Mechanical Universe, Episode 41 gezeigt ). Ein Weg wird länger sein als der andere, dieser Abstand beträgt Δλ. Betrachten Sie alternativ die Umordnung der Lichtgeschwindigkeitsformel .

Wenn die Beziehung wahr ist (wenn die Geschwindigkeit des Äthers relativ zur Lichtgeschwindigkeit klein ist), kann der Ausdruck durch eine Binomialentwicklung erster Ordnung vereinfacht werden;

Also, das Obige in Bezug auf die Befugnisse umschreiben;

Anwenden der binomialen Vereinfachung;

Deswegen;

Aus dieser Ableitung ist ersichtlich, dass sich der Ätherwind als Gangunterschied manifestiert. Diese Ableitung trifft zu, wenn das Experiment um einen beliebigen Faktor von 90° zum Ätherwind ausgerichtet ist. Wenn der Gangunterschied eine volle Anzahl von Wellenlängen beträgt, wird konstruktive Interferenz beobachtet (zentraler Streifen ist weiß). Wenn der Gangunterschied eine volle Anzahl von Wellenlängen plus eine Hälfte beträgt, wird dekonstruktive Interferenz beobachtet (zentraler Streifen wird schwarz).

Um die Existenz des Äthers zu beweisen, suchten Michaelson und Morley nach der "Randverschiebung". Die Idee war einfach, die Ränder des Interferenzmusters sollten sich beim Drehen um 90° verschieben, da die beiden Strahlen die Rollen getauscht haben. Um die Streifenverschiebung zu ermitteln, subtrahiere die Gangdifferenz in der ersten Orientierung durch die Gangdifferenz in der zweiten und dividiere dann durch die Wellenlänge des Lichts;

Beachten Sie den Unterschied zwischen Δλ, das eine Anzahl von Wellenlängen ist, und λ, das eine einzelne Wellenlänge ist. Wie aus dieser Beziehung ersichtlich ist, ist die Streifenverschiebung n eine einheitslose Größe.

Da L  ≈ 11 Meter und λ≈500 Nanometer , die erwartete Streifenverschiebung war n  0,44 ≈. Das negative Ergebnis führte Michelson zu dem Schluss, dass es keine messbare Ätherdrift gibt. Auf persönlicher Ebene akzeptierte er dies jedoch nie, und das negative Ergebnis verfolgte ihn für den Rest seines Lebens (Quelle; The Mechanical Universe, Episode 41 ).

Mit dem Interferometer mitbewegter Beobachter

Wird die gleiche Situation aus der Sicht eines Beobachters beschrieben, der sich mit dem Interferometer mitbewegt, dann ähnelt die Wirkung des Ätherwindes der Wirkung eines Schwimmers, der versucht, sich mit Geschwindigkeit gegen einen mit Geschwindigkeit fließenden Fluss zu bewegen .

In Längsrichtung bewegt sich der Schwimmer zunächst stromaufwärts, sodass seine Geschwindigkeit durch die Flussströmung um verringert wird . Auf seinem Rückweg stromabwärts wird seine Geschwindigkeit auf . Daraus ergeben sich die Strahllaufzeiten und wie oben erwähnt.

In Querrichtung muss der Schwimmer die Flussströmung durch Bewegung in einem bestimmten Winkel entgegen der Strömungsrichtung ausgleichen, um seine exakte Querbewegungsrichtung aufrechtzuerhalten und an der richtigen Stelle die andere Flussseite zu erreichen. Dies verringert seine Geschwindigkeit auf , und ergibt die oben erwähnte Strahllaufzeit .

Spiegelreflexion

Die klassische Analyse sagte eine relative Phasenverschiebung zwischen den Längs- und Querstrahlen voraus, die in Michelsons und Morleys Apparat leicht messbar gewesen sein sollte. Was nicht oft anerkannt wird (da es keine Möglichkeit gab, es zu messen), ist, dass die Bewegung durch den hypothetischen Äther auch dazu führen sollte, dass die beiden Strahlen beim Austritt aus dem Interferometer um etwa 10 -8 Radiant divergieren .

Für einen bewegten Apparat verlangt die klassische Analyse, dass der Strahlteilerspiegel von exakt 45° leicht versetzt ist, wenn Längs- und Querstrahl exakt überlagert aus dem Apparat austreten sollen. In der relativistischen Analyse bewirkt die Lorentz-Kontraktion des Strahlteilers in Bewegungsrichtung, dass dieser um genau den Betrag senkrechter wird, der erforderlich ist, um die Winkelabweichung der beiden Strahlen auszugleichen.

Längenkontraktion und Lorentztransformation

Ein erster Schritt zur Erklärung des Nullergebnisses des Michelson- und Morley-Experiments wurde in der FitzGerald-Lorentz-Kontraktionshypothese gefunden , die jetzt einfach Längenkontraktion oder Lorentz-Kontraktion genannt wird und zuerst von George FitzGerald (1889) und Hendrik Lorentz (1892) vorgeschlagen wurde. Nach diesem Gesetz kontrahieren sich alle Objekte physikalisch entlang der Bewegungslinie (ursprünglich als relativ zum Äther gedacht), wobei es sich um den Lorentz-Faktor handelt . Diese Hypothese wurde teilweise durch Oliver Heavisides Entdeckung im Jahr 1888 motiviert, dass sich elektrostatische Felder in der Bewegungslinie zusammenziehen. Da es aber damals keinen Grund gab, anzunehmen, dass Bindungskräfte in der Materie elektrischen Ursprungs seien, wurde die Längenkontraktion der bewegten Materie gegenüber dem Äther als Ad-hoc-Hypothese angesehen .

Setzt man die Längenkontraktion von in die obige Formel für ein , so wird die Lichtlaufzeit in Längsrichtung gleich der in Querrichtung:

Die Längenkontraktion ist jedoch nur ein Sonderfall der allgemeineren Beziehung, nach der die Querlänge um das Verhältnis größer als die Längslänge ist . Dies kann auf viele Arten erreicht werden. Ist die bewegte Längslänge und die bewegte Querlänge die Restlängen, dann ist gegeben:

kann beliebig gewählt werden, so dass es unendlich viele Kombinationen gibt, um das Michelson-Morley-Nullergebnis zu erklären. Zum Beispiel, wenn der relativistische Wert der Längenkontraktion von auftritt, aber wenn dann keine Längenkontraktion, sondern eine Dehnung von auftritt. Diese Hypothese wurde später von Joseph Larmor (1897), Lorentz (1904) und Henri Poincaré (1905) erweitert, die die vollständige Lorentz-Transformation einschließlich der Zeitdilatation entwickelten , um das Trouton-Noble-Experiment , die Experimente von Rayleigh und Brace zu erklären , und Kaufmanns Experimente . Es hat die Form

Es blieb noch, den Wert von zu definieren , der von Lorentz (1904) als Einheit gezeigt wurde. Im Allgemeinen demonstrierte Poincaré (1905), dass diese Transformation nur die Bildung einer Gruppe ermöglicht , also die einzige Wahl ist, die mit dem Relativitätsprinzip vereinbar ist , dh den stationären Äther nicht nachweisbar zu machen. Damit erhalten Längenkontraktion und Zeitdilatation ihre exakten relativistischen Werte.

Spezielle Relativität

Albert Einstein formulierte 1905 die spezielle Relativitätstheorie , indem er aus dem Relativitätspostulat und der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit die Lorentz-Transformation und damit Längenkontraktion und Zeitdilatation ableitete und damit den Ad-hoc- Charakter aus der Kontraktionshypothese entfernte. Einstein betonte die kinematische Fundierung der Theorie und die Modifikation des Raum-Zeit-Begriffs, wobei der stationäre Äther in seiner Theorie keine Rolle mehr spielte. Er wies auch auf den Gruppencharakter der Transformation hin. Einstein wurde von Maxwells Theorie des Elektromagnetismus (in der Form, wie sie von Lorentz 1895 gegeben wurde) und dem Mangel an Beweisen für den leuchtenden Äther motiviert .

Dies ermöglicht eine elegantere und intuitivere Erklärung des Michelson-Morley-Nullergebnisses. In einem mitbewegten Koordinatensystem ist das Nullergebnis selbstverständlich, da die Apparatur nach dem Relativitätsprinzip als ruhend betrachtet werden kann und somit die Strahllaufzeiten gleich sind. In einem Rahmen, zu dem sich die Vorrichtung bewegt, gelten die gleichen Überlegungen wie oben in "Längenkontraktion und Lorentz-Transformation" beschrieben, außer dass das Wort "Äther" durch "nicht bewegtes Inertialsystem" ersetzt werden muss. Einstein schrieb 1916:

Obwohl der geschätzte Unterschied zwischen diesen beiden Zeiten äußerst gering ist, führten Michelson und Morley ein Interferenzexperiment durch, bei dem dieser Unterschied deutlich hätte nachweisbar sein müssen. Aber das Experiment ergab ein negatives Ergebnis – eine für Physiker sehr verwirrende Tatsache. Lorentz und FitzGerald retteten die Theorie aus dieser Schwierigkeit, indem sie annahmen, dass die Bewegung des Körpers relativ zum Äther eine Kontraktion des Körpers in Bewegungsrichtung hervorruft, wobei der Kontraktionsbetrag gerade ausreicht, um den oben erwähnten Zeitunterschied auszugleichen. Der Vergleich mit der Diskussion in Abschnitt 11 zeigt, dass diese Lösung der Schwierigkeit auch vom Standpunkt der Relativitätstheorie die richtige war. Aber auf der Grundlage der Relativitätstheorie ist die Interpretationsmethode unvergleichlich befriedigender. Nach dieser Theorie gibt es kein „besonders bevorzugtes“ (einzigartiges) Koordinatensystem, das die Einführung der „ther-Idee“ veranlasst, und daher kann es weder eine „ther-Drift“ noch irgendein Experiment geben, mit dem sie demonstriert werden könnte . Hier folgt die Kontraktion bewegter Körper aus den beiden Grundprinzipien der Theorie, ohne dass besondere Hypothesen eingeführt werden; und als Hauptfaktor dieser Kontraktion finden wir nicht die Bewegung an sich, der wir keine Bedeutung beimessen können, sondern die Bewegung in Bezug auf den im Einzelfall gewählten Bezugskörper. So wird für ein mit der Erde bewegtes Koordinatensystem das Spiegelsystem von Michelson und Morley nicht verkürzt, aber für ein relativ zur Sonne ruhendes Koordinatensystem verkürzt.

—  Albert Einstein, 1916

Inwieweit das Nullergebnis des Michelson-Morley-Experiments Einstein beeinflusste, ist umstritten. In Anspielung auf einige Aussagen Einsteins argumentieren viele Historiker, dass sie auf seinem Weg zur speziellen Relativitätstheorie keine bedeutende Rolle gespielt hat, während andere Aussagen Einsteins wahrscheinlich darauf hindeuten, dass er davon beeinflusst wurde. Auf jeden Fall hat das Nullergebnis des Michelson-Morley-Experiments dazu beigetragen, dass die Vorstellung von der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit weit verbreitet und schnell akzeptiert wurde.

Später wurde von Howard Percy Robertson (1949) und anderen gezeigt (siehe Robertson-Mansouri-Sexl-Testtheorie ), dass es möglich ist, die Lorentz-Transformation vollständig aus der Kombination von drei Experimenten abzuleiten. Zunächst zeigte das Michelson-Morley-Experiment, dass die Lichtgeschwindigkeit unabhängig von der Ausrichtung der Apparatur ist, und stellte die Beziehung zwischen Längs- (β) und Querlänge (δ) her. 1932 modifizierten Roy Kennedy und Edward Thorndike das Michelson-Morley-Experiment, indem sie die Weglängen des geteilten Strahls ungleich machten, wobei ein Arm sehr kurz war. Das Kennedy-Thorndike-Experiment fand viele Monate lang statt, während sich die Erde um die Sonne bewegte. Ihr negatives Ergebnis zeigte, dass die Lichtgeschwindigkeit in verschiedenen Inertialsystemen unabhängig von der Geschwindigkeit des Apparats ist. Außerdem stellte er fest, dass neben Längenänderungen auch entsprechende Zeitänderungen auftreten müssen, dh er stellte den Zusammenhang zwischen Längslängen (β) und Zeitänderungen (α) her. Daher liefern beide Experimente nicht die einzelnen Werte dieser Größen. Diese Unsicherheit entspricht dem oben beschriebenen undefinierten Faktor . Aus theoretischen Gründen (der vom Relativitätsprinzip geforderte Gruppencharakter der Lorentz-Transformation) war klar, dass die Einzelwerte der Längenkontraktion und Zeitdilatation ihre exakte relativistische Form annehmen müssen. Eine direkte Messung einer dieser Größen war jedoch noch wünschenswert, um die theoretischen Ergebnisse zu bestätigen. Dies wurde durch das Ives-Stilwell-Experiment (1938) erreicht, bei dem α in Übereinstimmung mit der Zeitdilatation gemessen wurde. Die Kombination dieses Wertes für α mit dem Kennedy-Thorndike-Nullergebnis zeigt, dass β den Wert der relativistischen Längenkontraktion annehmen muss. Die Kombination von β mit dem Michelson-Morley-Nullergebnis zeigt, dass δ null sein muss. Daher ist die Lorentz-Transformation mit eine unvermeidliche Folge der Kombination dieser drei Experimente.

Die spezielle Relativitätstheorie wird im Allgemeinen als die Lösung aller negativen Ätherdrift- (oder Isotropie der Lichtgeschwindigkeit)-Messungen angesehen, einschließlich des Michelson-Morley-Null-Ergebnisses. Viele hochpräzise Messungen wurden als Tests der speziellen Relativitätstheorie und moderne Suchen nach Lorentz-Verletzungen im Photonen- , Elektron- , Nukleon- oder Neutrinosektor durchgeführt , die alle die Relativität bestätigen.

Falsche Alternativen

Wie oben erwähnt, glaubte Michelson zunächst, dass sein Experiment Stokes' Theorie bestätigen würde, wonach der Äther vollständig in die Nähe der Erde gezogen wurde (siehe Äther-Schlepp-Hypothese ). Ein vollständiger Ätherwiderstand widerspricht jedoch der beobachteten Aberration des Lichts und wurde auch von anderen Experimenten widerlegt. Darüber hinaus zeigte Lorentz 1886, dass Stokes' Versuch, Aberration zu erklären, widersprüchlich ist.

Darüber hinaus war die Annahme, dass der Äther nicht in der Nähe, sondern nur in der Materie getragen wird, sehr problematisch, wie das Hammar-Experiment (1935) zeigte. Hammar führte ein Bein seines Interferometers durch ein schweres Metallrohr, das mit Blei verstopft war. Wenn Äther von der Masse gezogen würde, wurde die Theorie aufgestellt, dass die Masse des versiegelten Metallrohrs ausreichend gewesen wäre, um einen sichtbaren Effekt zu verursachen. Wiederum wurde kein Effekt beobachtet, so dass die Theorien über den Ätherwiderstand als widerlegt gelten.

Die Emissionstheorie (oder ballistische Theorie) von Walther Ritz stimmte ebenfalls mit den Ergebnissen des Experiments überein und erforderte keinen Äther. Die Theorie postuliert, dass Licht in Bezug auf die Quelle immer die gleiche Geschwindigkeit hat. De Sitter stellte jedoch fest, dass die Emittertheorie mehrere optische Effekte vorhersagte, die bei Beobachtungen von Doppelsternen nicht beobachtet wurden, bei denen das Licht der beiden Sterne in einem Spektrometer gemessen werden konnte . Wenn die Emissionstheorie richtig wäre, müsste das Licht der Sterne eine ungewöhnliche Streifenverschiebung erfahren, da die Geschwindigkeit der Sterne zur Lichtgeschwindigkeit addiert wird, aber ein solcher Effekt konnte nicht beobachtet werden. Später zeigte JG Fox, dass die ursprünglichen de Sitter-Experimente aufgrund der Auslöschung fehlerhaft waren , aber 1977 beobachtete Brecher Röntgenstrahlen von Doppelsternsystemen mit ähnlichen Nullergebnissen. Darüber hinaus führten Filippas und Fox (1964) terrestrische Teilchenbeschleunigertests durch, die speziell entwickelt wurden, um den früheren Einwand von Fox zum "Aussterben" auszuräumen, wobei die Ergebnisse nicht mit der Quellenabhängigkeit der Lichtgeschwindigkeit vereinbar sind.

Nachfolgende Versuche

Abbildung 8. Simulation der Kennedy/Illingworth-Verfeinerung des Michelson-Morley-Experiments. (a) Michelson-Morley-Interferenzmuster in monochromatischem Quecksilberlicht mit einem genau auf dem Bildschirm zentrierten dunklen Rand . (b) Die Streifen wurden um 1/100 des Streifenabstands nach links verschoben. Es ist äußerst schwierig, einen Unterschied zwischen dieser Abbildung und der obigen zu erkennen. (c) Eine kleine Stufe in einem Spiegel bewirkt, dass zwei Ansichten derselben Streifen links und rechts von der Stufe um 1/20 des Streifenabstands beabstandet sind. (d) Ein Teleskop wurde so eingestellt, dass es nur das zentrale dunkle Band um die Spiegelstufe herum betrachtet. Beachten Sie die symmetrische Aufhellung um die Mittellinie. (e) Die beiden Streifensätze wurden um 1/100 des Streifenabstands nach links verschoben. Über die Stufe hinweg ist eine abrupte Diskontinuität der Leuchtkraft sichtbar.

Obwohl Michelson und Morley nach ihrer ersten Veröffentlichung im Jahr 1887 verschiedene Experimente durchführten, blieben beide auf diesem Gebiet aktiv. Andere Versionen des Experiments wurden mit zunehmender Raffinesse durchgeführt. Morley war von seinen eigenen Ergebnissen nicht überzeugt und führte von 1902 bis 1904 weitere Experimente mit Dayton Miller durch. Auch hier war das Ergebnis innerhalb der Fehlergrenzen negativ.

Miller arbeitete an immer größeren Interferometern, die in einem mit einer effektiven Armlänge von 32 Metern (105 Fuß) gipfelten, das er an verschiedenen Orten ausprobierte, unter anderem auf einem Berg am Mount Wilson Observatory . Um zu vermeiden, dass der Ätherwind durch feste Wände blockiert wird, verwendeten seine Berggipfelbeobachtungen einen speziellen Schuppen mit dünnen Wänden, hauptsächlich aus Leinwand. Aus verrauschten, unregelmäßigen Daten extrahierte er konsequent ein kleines positives Signal, das sich bei jeder Umdrehung des Geräts, mit dem Sterntag und jährlich änderte. Seine Messungen in den 1920er Jahren beliefen sich auf etwa 10 km/s (6,2 mi/s) statt der fast 30 km/s (18,6 mi/s), die allein von der Erdumlaufbewegung erwartet wurden. Er blieb überzeugt, dass dies auf teilweises Mitreißen oder Ätherschleppen zurückzuführen war , obwohl er keine detaillierte Erklärung versuchte. Er ignorierte Kritik, die die Widersprüchlichkeit seiner Ergebnisse und die Widerlegung durch das Hammar-Experiment demonstrierte . Millers Ergebnisse wurden zu dieser Zeit als wichtig erachtet und von Michelson, Lorentz und anderen bei einem Treffen im Jahr 1928 diskutiert . Es herrschte allgemeine Übereinstimmung darüber, dass mehr Experimente erforderlich waren, um Millers Ergebnisse zu überprüfen. Miller baute später ein nicht-magnetisches Gerät, um die Magnetostriktion zu beseitigen , während Michelson eines aus nicht expandierendem Invar baute , um alle verbleibenden thermischen Effekte zu beseitigen. Andere Experimentatoren aus der ganzen Welt erhöhten die Genauigkeit, eliminierten mögliche Nebenwirkungen oder beides. Bisher war es niemandem gelungen, Millers Ergebnisse zu replizieren, und moderne experimentelle Genauigkeiten haben sie ausgeschlossen. Roberts (2006) hat darauf hingewiesen, dass die primitiven Datenreduktionstechniken, die von Miller und anderen frühen Experimentatoren, einschließlich Michelson und Morley, verwendet wurden, in der Lage waren , scheinbar periodische Signale zu erzeugen, selbst wenn in den tatsächlichen Daten keine vorhanden waren. Nachdem er Millers Originaldaten mit modernen Techniken der quantitativen Fehleranalyse erneut analysiert hatte, stellte Roberts fest, dass Millers scheinbare Signale statistisch unbedeutend waren.

Roy J. Kennedy (1926) und KK Illingworth (1927) (Abb. 8) nutzten eine spezielle optische Anordnung mit einem 1/20-Wellenschritt in einem Spiegel Verschiebungen auf die wesentlich sensiblere Aufgabe, die Lichtintensität auf beiden Seiten einer scharfen Grenze für gleiche Leuchtdichte einzustellen. Wenn sie auf beiden Seiten der Stufe eine ungleiche Beleuchtung beobachteten, wie in Fig. 8e, fügten sie kalibrierte Gewichte vom Interferometer hinzu oder entfernten sie, bis beide Seiten der Stufe wieder gleichmäßig beleuchtet waren, wie in Fig. 8d. Die Anzahl der hinzugefügten oder entfernten Gewichte lieferte ein Maß für die Randverschiebung. Verschiedene Beobachter konnten Veränderungen von nur 1/300 bis 1/1500 eines Randes feststellen. Kennedy führte auch ein Experiment am Mount Wilson durch und fand nur etwa 1/10 der von Miller gemessenen Drift und keine saisonalen Effekte.

1930 führte Georg Joos ein Experiment mit einem automatisierten Interferometer mit 21 Meter langen (69 ft) Armen aus gepresstem Quarz mit einem sehr niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten durch, das kontinuierliche fotografische Streifenaufnahmen der Fransen durch Dutzende von Umdrehungen von die Apparatur. Auf den fotografischen Platten konnten Verschiebungen von 1/1000 eines Streifens gemessen werden. Es wurden keine periodischen Randverschiebungen gefunden, was eine Obergrenze für den Ätherwind von 1,5 km/s (0,93 mi/s) festlegt.

In der folgenden Tabelle beziehen sich die erwarteten Werte auf die Relativgeschwindigkeit zwischen Erde und Sonne von 30 km/s (18,6 mi/s). In Bezug auf die Geschwindigkeit des Sonnensystems um das galaktische Zentrum von etwa 220 km/s (140 mi/s) oder die Geschwindigkeit des Sonnensystems relativ zum CMB-Ruhesystem von etwa 368 km/s (229 mi/s .) ), sind die Nullergebnisse dieser Experimente noch offensichtlicher.

Name Standort Jahr Armlänge (Meter) Randschicht erwartet Streifenverschiebung gemessen Verhältnis Obergrenze für V- Äther Experimentelle Auflösung Null Ergebnis
Michelson Potsdam 1881 1,2 0,04 0,02 2 ∼ 20 km/s 0,02 Jawohl
Michelson und Morley Cleveland 1887 11,0 0,4 < 0,02
oder ≤ 0,01
40 ∼ 4–8 km/s 0,01 Jawohl
Morley und Miller Cleveland 1902–1904 32,2 1,13 0,015 80 ∼ 3,5 km/s 0,015 Jawohl
Müller Mount Wilson 1921 32,0 1,12 0.08 fünfzehn ∼ 8–10 km/s unklar unklar
Müller Cleveland 1923–1924 32,0 1,12 0,03 40 ∼ 5 km/s 0,03 Jawohl
Müller (Sonnenlicht) Cleveland 1924 32,0 1,12 0,014 80 ∼ 3 km/s 0,014 Jawohl
Tomaschek (Sternlicht) Heidelberg 1924 8,6 0,3 0,02 fünfzehn ∼ 7 km/s 0,02 Jawohl
Müller Mount Wilson 1925–1926 32,0 1,12 0,088 13 ∼ 8–10 km/s unklar unklar
Kennedy Pasadena / Mt. Wilson 1926 2.0 0,07 0,002 35 ∼ 5 km/s 0,002 Jawohl
Illingworth Pasadena 1927 2.0 0,07 0,0004 175 ∼ 2 km/s 0,0004 Jawohl
Piccard & Stahel mit einem Ballon 1926 2,8 0,13 0,006 20 ∼ 7 km/s 0,006 Jawohl
Piccard & Stahel Brüssel 1927 2,8 0,13 0,0002 185 ∼ 2,5 km/s 0,0007 Jawohl
Piccard & Stahel Rigi 1927 2,8 0,13 0,0003 185 ∼ 2,5 km/s 0,0007 Jawohl
Michelsonet al. Pasadena (Mt. Wilson Optikgeschäft) 1929 25,9 0,9 0,01 90 ∼ 3 km/s 0,01 Jawohl
Joos Jena 1930 21,0 0,75 0,002 375 ∼ 1,5 km/s 0,002 Jawohl

Aktuelle Experimente

Optische Tests

Optische Tests der Isotropie der Lichtgeschwindigkeit wurden alltäglich. Neue Technologien, darunter der Einsatz von Lasern und Masern , haben die Messgenauigkeit deutlich verbessert. (In der folgenden Tabelle sind nur Essen (1955), Jaseja (1964) und Shamir/Fox (1969) Experimente vom Michelson-Morley-Typ, dh der Vergleich zweier senkrechter Strahlen. Die anderen optischen Experimente verwendeten andere Methoden.)

Autor Jahr Beschreibung Obergrenzen
Louis Essen 1955 Die Frequenz eines rotierenden Mikrowellen- Hohlraumresonators wird mit der einer Quarzuhr verglichen ~3 km/s
Cedarholmet al . 1958 Auf einem Drehtisch waren zwei Ammoniak- Maser montiert, deren Strahlen in entgegengesetzte Richtungen gerichtet waren. ~30 m/s
Mössbauer Rotorversuche 1960–68 In einer Reihe von Experimenten verschiedener Forscher wurden die Frequenzen von Gammastrahlen mit Hilfe des Mößbauer-Effekts beobachtet . ~2,0 cm/s
Jasejaet al . 1964 Die Frequenzen zweier He-Ne-Maser , die auf einem Drehtisch montiert waren, wurden verglichen. Anders als Cedarholm et al. , wurden die Maser senkrecht zueinander platziert. ~30 m/s
Shamir und Fox 1969 Beide Arme des Interferometers waren in einem transparenten Festkörper ( Plexiglas ) enthalten. Als Lichtquelle diente ein Helium-Neon-Laser . ~7 km/s
Trimmeret al . 1973 Sie suchten nach Anisotropien der Lichtgeschwindigkeit, die sich als erstes und drittes der Legendre-Polynome verhalten . Sie verwendeten ein Dreiecksinterferometer mit einem Teil des Pfades in Glas. (Im Vergleich dazu testen die Experimente vom Michelson-Morley-Typ das zweite Legendre-Polynom) ~2,5 cm/s
Abbildung 9. Michelson-Morley-Experiment mit kryogenen optischen Resonatoren einer Form, wie sie von Müller et al. (2003).

Neuere Experimente mit optischen Resonatoren

Im frühen 21. Jahrhundert ist das Interesse an der Durchführung präziser Michelson-Morley-Experimente unter Verwendung von Lasern, Masern, kryogenen optischen Resonatoren usw in Skalen verletzt, die experimentellen Studien zugänglich sind. Das erste dieser hochgenauen Experimente wurde von Brillet & Hall (1979) durchgeführt, in dem sie eine Laserfrequenz analysierten, die auf eine Resonanz einer rotierenden optischen Fabry-Pérot- Kavität stabilisiert wurde . Sie setzen eine Grenze für die Anisotropie der Lichtgeschwindigkeit, die sich aus den Erdbewegungen von Δ c / c  ≈ 10 −15 ergibt , wobei Δ c die Differenz zwischen der Lichtgeschwindigkeit in x- und y- Richtung ist.

Ab 2015 haben optische und Mikrowellen-Resonator-Experimente diese Grenze auf Δ c / c  ≈ 10 –18 verbessert . In einigen von ihnen wurden die Geräte gedreht oder blieben stationär, und einige wurden mit dem Kennedy-Thorndike-Experiment kombiniert . Insbesondere die Richtung und Geschwindigkeit der Erde (ca. 368 km/s (229 mi/s)) relativ zum CMB-Ruhesystem werden normalerweise als Referenzen bei dieser Suche nach Anisotropien verwendet.

Autor Jahr Beschreibung Δ c / c
Wolfet al. 2003 Die Frequenz eines stationären kryogenen Mikrowellenoszillators, bestehend aus Saphirkristall, der im Flüstergaleriemodus arbeitet , wird mit einem Wasserstoffmaser verglichen, dessen Frequenz mit Cäsium- und Rubidium- Atomfontänenuhren verglichen wurde . Es wurde nach Veränderungen während der Erdrotation gesucht. Daten zwischen 2001-2002 wurden analysiert.
Mülleret al. 2003 Zwei optische Resonatoren aus kristallinem Saphir, die die Frequenzen von zwei Nd:YAG-Lasern steuern , sind in einem Helium-Kryostaten rechtwinklig angeordnet. Ein Frequenzkomparator misst die Schwebungsfrequenz der kombinierten Ausgänge der beiden Resonatoren.
Wolfet al. 2004 Siehe Wolfet al. (2003). Es wurde eine aktive Temperaturregelung implementiert. Die Daten zwischen 2002 und 2003 wurden analysiert.
Wolfet al. 2004 Siehe Wolfet al. (2003). Die Daten zwischen 2002 und 2004 wurden analysiert.
Antoniniet al. 2005 Ähnlich wie Müller et al. (2003), obwohl der Apparat selbst in Rotation versetzt wurde. Die Daten zwischen 2002 und 2004 wurden analysiert.
Stanwixet al. 2005 Ähnlich wie Wolf et al. (2003). Die Frequenz zweier kryogener Oszillatoren wurde verglichen. Außerdem wurde die Apparatur in Rotation versetzt. Daten zwischen 2004-2005 wurden analysiert.
Herrmannet al. 2005 Ähnlich wie Müller et al. (2003). Die Frequenzen zweier optischer Fabry-Pérot-Resonatoren werden verglichen – eine Kavität rotierte kontinuierlich, während die andere stationär in Nord-Süd-Richtung orientiert war. Daten zwischen 2004-2005 wurden analysiert.
Stanwixet al. 2006 Siehe Stanwix et al. (2005). Daten zwischen 2004-2006 wurden analysiert.
Mülleret al. 2007 Siehe Herrmann et al. (2005) und Stanwix et al. (2006). Die zwischen 2004 und 2006 erhobenen Daten beider Gruppen werden kombiniert und weiter analysiert. Da sich die Experimente auf verschiedenen Kontinenten befinden, in Berlin bzw. Perth , konnten die Auswirkungen sowohl der Rotation der Geräte selbst als auch der Rotation der Erde untersucht werden.
Eiseleet al. 2009 Die Frequenzen eines Paares von orthogonal ausgerichteten optischen Stehwellenhohlräumen werden verglichen. Die Kavitäten wurden mit einem Nd:YAG-Laser abgefragt . Die Daten zwischen 2007 und 2008 wurden analysiert.
Herrmannet al. 2009 Die Frequenzen eines Paares rotierender, orthogonaler optischer Fabry-Pérot-Resonatoren werden verglichen. Die Frequenzen zweier Nd:YAG-Laser werden auf Resonanzen dieser Resonatoren stabilisiert.
Nagelet al. 2015 Die Frequenzen eines Paares von rotierenden, orthogonalen Mikrowellenresonatoren werden verglichen.

Andere Tests der Lorentz-Invarianz

Abbildung 10. 7 Li- NMR - Spektrum von LiCl (1M) in D 2 O. Die scharfe, ungeteilt NMR Zeile dieses Isotop von Lithium ist ein Beweis für die Isotropie der Masse und Raum.

Beispiele für andere Experimente, die nicht auf dem Michelson-Morley-Prinzip basieren, dh nicht-optische Isotropietests, die eine noch höhere Genauigkeit erreichen, sind der Clock-Vergleich oder Hughes-Drever-Experimente . In Drevers Experiment von 1961 wurden 7 Li-Kerne im Grundzustand mit einem Gesamtdrehimpuls J  = 3/2 durch ein Magnetfeld in vier gleich beabstandete Niveaus aufgespalten. Jeder Übergang zwischen zwei benachbarten Ebenen sollte ein Photon gleicher Frequenz emittieren, was zu einer einzigen scharfen Spektrallinie führt. Da jedoch die Kernwellenfunktionen für verschiedene M J unterschiedliche Orientierungen im Raum relativ zum Magnetfeld haben, ist jede Orientierungsabhängigkeit, sei es von einem Ätherwind oder von einer Abhängigkeit von der großräumigen Massenverteilung im Raum (siehe Mach-Prinzip ) , die Energieabstände zwischen den vier Niveaus stören würde, was zu einer anomalen Verbreiterung oder Aufspaltung der Linie führen würde. Eine solche Verbreiterung wurde nicht beobachtet. Moderne Wiederholungen dieser Art von Experimenten haben einige der genauesten Bestätigungen des Prinzips der Lorentz-Invarianz geliefert .

Siehe auch

Verweise

Anmerkungen

Experimente

Bibliographie (Referenzen der Reihe "A")

Externe Links