Hier finden Sie einen knappen Überblick aus dem Inhalt des Vortrags mit einigen ausgewählten Folien aus der Präsentation. Für eine Beschreibung der Abbildungen kann jede abgebildete Folie angeklickt werden.
Das Newtonsche Relativitätsprinzip sagt für Beobachtungssysteme, die nicht beschleunigt werden (Inertialsysteme):
Folie20:
Geschwindigkeiten werden ganz einfach addiert und subtrahiert.
Das Experiment von Michelsen und Morley sollte zeigen, ob sich das Licht in einem ruhenden Äther ausbreitet, so wie Wasserwellen sich in einem ruhenden Gewässer ausbreiten.
Das Experiment lässt sich gut verstehen, wenn man die Laufzeit von Wasserwellen an einem Bootsrumpf misst:
Folie26:
Wasserwellen werden vom Heck eines fahrenden Bootes in Richtung Bug geschickt
und die Zeit gemessen.
Folie27:
Wasserwellen werden vom Bug eines fahrenden Bootes zum Heck geschickt und
die Zeit gemessen.
Michelsen und Morley betrachteten nun die Erde wie ein Boot, dass sich durch den Äther bewegt. Sie versuchten mit ihrer Apparatur einen Laufzeitunuterschied des Lichts festzustellen, wenn sie das Licht in verschiedene Richtungen schicken:
Folie28:
Licht wird einmal in Richtung der Erdbewegung geschickt und einmal entgegen
(bzw. quer zur Erdbewegung). Gibt es einen Äther, sollte ein Unterschied
in der Lichtgeschwindigkeit feststellbar sein.
Ergebnis des Michelsen-Morley-Experiments:
Bei Betrachtung dieses einen Ergebnisses könnte man glauben, das Licht sei wie ein Ball, den man im Zug in die eine oder andere Richtung schießt. In und entgegen der Zugfahrrichtung kann man den Ball in gleicher Geschwindigkeit schießen. Doch das wäre zu einfach...
Das Experiment von Michelsen und Morley und weitere Tests mit Lichtlaufzeiten ergaben ein sehr Aufsehen erregendes Ergebnis. Stellen wir uns das Michelsen-Morley-Experiment etwas anders vor und betrachten das Licht, das von einer Lichquelle außerhalb der Erde geschickt wird. Wir bewegen uns einmal auf die Lichtquelle zu und einmal von ihr weg. Stellen wir einen Geschwindigkeitsunterschied fest?
Folie32:
Man sollte erwarten, dass das Licht schneller erscheint, wenn wir uns auf
die Lichtquelle zu bewegen, und langsamer, wenn wir uns von der Lichtquelle
wegbewegen.
Als Ergebnis aller Lichtmessungen erhalten wir immer die selbe Geschwindigkeit, egal ob die Lichtquelle sich bewegt oder wir uns bewegen, egal ob wir uns aufeinander zu oder voneinander weg bewegen.
Die Geschwindigkeit des Lichts messen wir (im Vakkum) immer mit rund 300000 Kilometern pro Sekunde.
Der Waggon ist 20 Meter lang und das Licht im Zug wird mit 300000km/s gemessen.
Wenn der Zug nun sehr sehr schnell fahren könnte und wir den Lichtstrahl
vom Bahnsteig aus beobachten, messen wir ihn dort ebenfalls mit einer Geschwindigkeit
von 300000km/s. Da sich aber der vordere Teil des Waggons von dem Lichtstrahl
entfernt, sehen wir das Licht dort später auftreffen.
Es ist hier nicht mehr wie mit dem Ball, der durch den Zug geschossen wird. Da sich Lichtgeschwindigkeit und Zuggeschwindigkeit für einen außen Stehenden nicht addieren, legt der Lichtstrahl den von außen betrachtet längeren Weg in der gleichen Geschwindigkeit von 300000km/s zurück.
Z.B.:
Lichtweg im Zug: 20 Meter
Lichtweg draußen: 30 Meter, weil der Zug schnell weiter fährt
Lichtgeschwindigkeit drinnen wie draußen: 300000km/h
Fazit dieses Experiments:
Da der Lichtstrahl von außen betrachtet länger braucht, um den
vorderen Teil des Waggons zu erreichen, scheint die Zeit des sich bewegenden
Systems langsamer abzulaufen als die eigene. Alles im bewegten System scheint
langsamer abzulaufen.
Zum Thema Gleichzeitigkeit:
An den beiden Enden eines Waggons stehen zwei Stoppuhren. Über einen Lichtblitz von der Mitte des Waggons aus starten wir die beiden Uhren. Da die Lichtquelle genau in der Mitte zwischen den Uhren steht, erreicht der Lichtblitz beide Uhren gleichzeitig. Die Uhren laufen exakt synchron. Wie wir noch wissen, gilt dies ganz unabhängig davon, ob sich der Waggon bewegt oder nicht.
Betrachtet man nun wieder den sehr schnell bewegten Waggon, dann sieht man den Lichtblitz ganz unabhängig von der Geschwindigkeit des Waggons mit 300000km/s nach vorn und nach hinten fliegen. Allerdings kommt das Heck des Wagens dem Lichtblitz entgegen, die Front entfernt sich vom Lichtblitz. Die hintere Uhr erreicht also von außen betrachtet viel eher den Lichtblitz als die vordere Uhr. Da beide Uhren mit dem jeweiligen Auftreffen des Lichtblitzes gestartet werden, laufen sie vom Bahnsteig aus betrachtet nicht synchron!
Die vordere Uhr geht nach.
Tatsächlich gilt immer:
Werden zwei Uhren in ihrem Bezugssystem synchronisiert, so sind sie in keinem
anderen Bezugssystem synchron!
(Warum eine Zwillingsschwester nach einer langen Reise mit hoher Geschwindigkeit bei ihrer Rückkehr jünger ist als ihre daheim gebliebene Schwester ist Teil der allgemeinen Relativitätstheorie. Dies wurde im Vortrag knapp erklärt, wird in dieser Übersicht aber nicht weiter behandelt.)
