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Im späten 19. Jahrhundert wurde der Begriff luminiferous aether („lichttragender Äther“) verwendet, um ein Medium für die Ausbreitung von Licht zu beschreiben. Spätere Theorien, einschließlich der Speziellen Relativitätstheorie, wurden ohne das Ätherkonzept formuliert, und heute gilt der Äther als eine überholte wissenschaftliche Theorie.

Das Wort „Äther“ stammt über das Lateinische vom griechischen αἰθήρ ab, von einer Wurzel mit der Bedeutung „entzünden/brennen/scheinen“, was die Substanz bezeichnete, von der man in der Antike annahm, dass sie die oberen Regionen des Raums, jenseits der Wolken, ausfüllt.

Die Geschichte des Lichts und des Äthers

Isaac Newton hatte angenommen, dass das Licht aus vielen kleinen Teilchen besteht, um Eigenschaften wie seine Fähigkeit, sich in geraden Linien fortzubewegen und von Oberflächen zu reflektieren, zu erklären. Diese Theorie hatte bekanntermaßen ihre Probleme; obwohl sie die Reflexion gut erklärte, war ihre Erklärung der Brechung und Beugung weniger erfreulich. Um die Brechung zu erklären, postulierte Newton in seinen Opticks (1704) ein „Ätherisches Medium“, das Schwingungen überträgt, die schneller sind als das Licht, wodurch das Licht (wenn es überholt wird) in „Anfälle von leichter Reflexion und leichter Transmission“ versetzt wird (was Brechung und Beugung verursacht). Newton glaubte, dass diese Schwingungen mit Dingen wie der Wärmestrahlung zusammenhingen, indem er sagte:

Wird nicht die Wärme des warmen Raumes durch die Schwingungen eines viel subtileren Mediums als der Luft durch das Vakuum transportiert, das, nachdem die Luft herausgezogen wurde, im Vakuum verblieb? Und ist dieses Medium nicht dasselbe wie das Medium, durch das das Licht gebrochen und reflektiert wird, und durch dessen Schwingungen das Licht die Wärme auf die Körper überträgt und in die Lage versetzt wird, leicht zu reflektieren und leicht zu übertragen?

Das moderne Verständnis ist natürlich, dass Wärmestrahlung Licht ist, aber Newton hielt sie für zwei verschiedene Phänomene (er glaubte, dass Wärmeschwingungen angeregt werden, „wenn ein Lichtstrahl auf die Oberfläche eines beliebigen durchsichtigen Körpers fällt“). Er schrieb, dass „Ich weiß nicht, was dieser Äther ist“, aber dass, wenn es aus Teilchen besteht, dann müssen sie „äußerst kleiner als die der Luft, oder sogar als die des Lichts sein: Die außerordentliche Kleinheit seiner Teilchen kann zur Größe der Kraft beitragen, mit der sich diese Teilchen voneinander entfernen können, und dadurch dieses Medium außerordentlich seltener und elastischer als Luft machen, und infolgedessen außerordentlich weniger in der Lage, den Bewegungen von Geschossen zu widerstehen, und außerordentlich mehr in der Lage, auf grobe Körper zu drücken, indem sie sich selbst auszudehnen versuchen.“

Christiaan Huygens hatte vor Newton die Hypothese aufgestellt, dass das Licht selbst eine Welle ist, die sich durch einen Äther ausbreitet, aber Newton lehnte diese Idee ab. Der Hauptgrund für seine Ablehnung rührte daher, dass beide Männer sich Licht offenbar nur als Longitudinalwelle vorstellen konnten, wie Schall und andere mechanische Wellen in Gasen und Flüssigkeiten. Longitudinalwellen haben jedoch notwendigerweise nur eine Form für eine gegebene Ausbreitungsrichtung und nicht zwei Polarisationen wie bei einer Transversalwelle, so dass sie nicht in der Lage waren, das Phänomen der Doppelbrechung zu erklären (bei der zwei Polarisationen des Lichts durch einen Kristall unterschiedlich gebrochen werden). Stattdessen zog es Newton vor, sich nicht-sphärische Teilchen (oder „Korpuskeln“) des Lichts mit unterschiedlichen „Seiten“ vorzustellen, die die Doppelbrechung hervorrufen. Ein weiterer Grund, warum Newton Licht als Wellen in einem Medium ablehnte, war jedoch, dass sich ein solches Medium überall im Raum ausbreiten müsste und dadurch „die Bewegungen jener großen Körper“ (der Planeten und Kometen) stören und verzögern würde und somit „da es von keinem Nutzen ist und die Tätigkeit der Natur behindert und sie träge macht, so gibt es keinen Beweis für seine Existenz, und daher sollte es verworfen werden.“

Im Jahr 1720 führte James Bradley eine Reihe von Experimenten durch, in denen er versuchte, die Sternparallaxe zu messen. Obwohl er keine Parallaxe nachweisen konnte (und damit eine untere Grenze für die Entfernung von Sternen setzte), entdeckte er einen anderen Effekt, die stellare Aberration, ein Effekt, der nicht von der Position (wie bei der Parallaxe), sondern von der Geschwindigkeit abhängt. Er bemerkte, dass sich die scheinbare Position des Sterns veränderte, wenn sich die Erde auf ihrer Umlaufbahn bewegte. Bradley erklärte diesen Effekt im Zusammenhang mit Newtons Korpuskeltheorie des Lichts, indem er zeigte, dass der Aberrationswinkel durch einfache Vektoraddition der Umlaufgeschwindigkeit der Erde und der Geschwindigkeit der Lichtteilchen gegeben war (so wie senkrecht fallende Regentropfen auf ein bewegtes Objekt in einem Winkel auftreffen). Mit der Kenntnis der Erdgeschwindigkeit und des Aberrationswinkels konnte er so die Lichtgeschwindigkeit abschätzen. Die Erklärung der stellaren Aberration im Rahmen einer ätherbasierten Lichttheorie wurde als problematischer angesehen, weil sie voraussetzt, dass der Äther stationär ist, auch wenn sich die Erde durch ihn bewegt – genau das Problem, das Newton dazu veranlasste, ein Wellenmodell von vornherein abzulehnen.

Ein Jahrhundert später jedoch belebten Young und Fresnel die Wellentheorie des Lichts wieder, als sie darauf hinwiesen, dass Licht eine Transversalwelle statt einer Longitudinalwelle sein könnte – die Polarisation einer Transversalwelle (wie Newtons „Seiten“ des Lichts) könnte die Doppelbrechung erklären, und im Zuge einer Reihe von Experimenten zur Beugung wurde das Teilchenmodell von Newton schließlich aufgegeben. Die Physiker nahmen jedoch immer noch an, dass Lichtwellen, wie mechanische Wellen, ein Medium zur Ausbreitung benötigten und somit Huygens‘ Idee eines den ganzen Raum durchdringenden Äther-„Gases“ erforderten.

Eine Transversalwelle erforderte jedoch offenbar, dass sich das sich ausbreitende Medium wie ein Festkörper verhielt, im Gegensatz zu einem Gas oder einer Flüssigkeit. Die Idee eines Festkörpers, der nicht mit anderer Materie wechselwirkt, schien etwas seltsam, und Augustin-Louis Cauchy schlug vor, dass es vielleicht eine Art „Mitnahme“ oder „Mitreißen“ gab, was aber die Aberrationsmessungen schwer verständlich machte. Er schlug auch vor, dass die Abwesenheit von Längswellen vorgeschlagen, dass der Äther hatte negative Kompressibilität; aber George Green wies darauf hin, dass eine solche Flüssigkeit wäre instabil. George Gabriel Stokes wurde zum Verfechter der Entrainment-Interpretation und entwickelte ein Modell, in dem der Äther (in Analogie zum Kiefernpech) bei sehr hohen Frequenzen starr und bei niedrigeren Geschwindigkeiten flüssig sein könnte. So könnte sich die Erde ziemlich frei durch ihn bewegen, aber er wäre starr genug, um Licht zu tragen.

Später zeigten die Maxwellschen Gleichungen, dass Licht eine elektromagnetische Welle ist. Maxwells Gleichungen verlangten, dass sich alle elektromagnetischen Wellen im Vakuum mit einer festen Geschwindigkeit, c, ausbreiten. Da dies in der Newtonschen Physik nur in einem einzigen Bezugsrahmen geschehen kann (siehe Galilei-Newtonsche Relativitätstheorie), wurde der Äther als absoluter und einziger Bezugsrahmen angenommen, in dem Maxwells Gleichungen gelten. Das heißt, der Äther muss universell „still“ sein, sonst würde c von Ort zu Ort variieren. Maxwell selbst schlug mehrere mechanische Modelle des Äthers vor, die auf Rädern und Zahnrädern basierten, und George FitzGerald konstruierte sogar ein funktionierendes Modell von einem von ihnen. Diese Modelle waren nicht trivial, vor allem weil sie mit der Tatsache übereinstimmen mussten, dass die elektromagnetischen Wellen transversal, aber niemals longitudinal verlaufen.

Allerdings wurden zu diesem Zeitpunkt die mechanischen Eigenschaften des Äthers immer magischer: Er musste eine Flüssigkeit sein, um den Raum zu füllen, aber eine, die millionenfach steifer als Stahl war, um die hohen Frequenzen der Lichtwellen zu tragen. Es musste auch masselos und ohne Viskosität sein, sonst würde es die Bahnen der Planeten sichtbar beeinflussen. Außerdem musste er völlig transparent, nicht-dispersiv, inkompressibel und auf einer sehr kleinen Skala kontinuierlich sein.

Zeitgenössische Wissenschaftler waren sich der Probleme bewusst, aber die Äthertheorie war zu diesem Zeitpunkt so fest in den physikalischen Gesetzen verankert, dass man einfach annahm, dass er existiert. 1908 hielt Oliver Lodge im Auftrag von Lord Rayleigh vor der Royal Institution eine Rede zu diesem Thema, in der er seine physikalischen Eigenschaften skizzierte und dann versuchte, Gründe zu liefern, warum sie nicht unmöglich waren. Nichtsdestotrotz war er sich auch der Kritik bewusst und zitierte Lord Salisbury mit den Worten, dass „Äther kaum mehr als ein Nominativ des Verbs „wellenförmig“ ist“. Andere kritisierten sie als „englische Erfindung“, obwohl Rayleigh sie scherzhaft korrigierte und erklärte, dass es sich in Wirklichkeit um eine Erfindung der Royal Institution handelte.

Am Anfang des 20: Eine Reihe von immer komplexeren Experimenten war in den späten 1800er Jahren durchgeführt worden, um zu versuchen, die Bewegung der Erde durch den Äther nachzuweisen, und war damit gescheitert. Eine Reihe von vorgeschlagenen Theorien über die Bewegung des Äthers konnte das Nullergebnis erklären, aber diese waren komplexer und neigten dazu, willkürlich wirkende Koeffizienten und physikalische Annahmen zu verwenden. Lorentz und Fitzgerald boten eine elegantere Lösung an, wie die Bewegung eines absoluten Äthers nicht nachweisbar sein könnte (Längenkontraktion), aber wenn ihre Gleichungen korrekt waren, konnte die neue spezielle Relativitätstheorie (1905) die gleiche Mathematik erzeugen, ohne sich auf einen Äther überhaupt zu beziehen. Der Äther fiel auf Occam’s Razor.

Äther und klassische Mechanik

Die Hauptschwierigkeit der Ätherhypothese ergab sich aus dem Nebeneinander der beiden etablierten Theorien der Newtonschen Dynamik und des Maxwellschen Elektromagnetismus. Unter einer Galilei-Transformation sind die Gleichungen der Newtonschen Dynamik invariant, die des Elektromagnetismus dagegen nicht. Im Grunde bedeutet dies, dass, während die Physik in nicht-beschleunigten Experimenten gleich bleiben sollte, würde Licht nicht den gleichen Regeln folgen, weil es in der universellen „Ätherrahmen“ reist. Irgendein Effekt, der durch diesen Unterschied verursacht wird, sollte nachweisbar sein.

Ein einfaches Beispiel betrifft das Modell, auf dem der Äther ursprünglich aufgebaut war: Schall. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit für mechanische Wellen, die Schallgeschwindigkeit, wird durch die mechanischen Eigenschaften des Mediums bestimmt. Wenn man sich zum Beispiel in einem Flugzeug befindet, kann man trotzdem ein Gespräch mit seinem Sitznachbarn führen, weil sich der Schall Ihrer Worte mit der Luft im Flugzeug mitbewegt. Dieser Effekt ist grundlegend für die gesamte Newtonsche Dynamik, die besagt, dass alles, vom Schall bis zur Flugbahn eines geworfenen Baseballs, im Flugzeug gleich bleiben sollte, wie wenn man „still“ auf der Erde sitzt. Dies ist die Grundlage der Galilei-Transformation und des Konzepts des „Bezugsrahmens“.

Aber das galt nicht für das Licht. Denn die Maxwellsche Mathematik forderte eine einzige, universelle Geschwindigkeit für die Ausbreitung des Lichts, die nicht auf lokalen Bedingungen, sondern auf zwei gemessenen Eigenschaften beruhte, von denen man annahm, dass sie im gesamten Universum gleich seien. Würden sich diese Zahlen ändern, müsste es spürbare Effekte am Himmel geben; Sterne in verschiedenen Richtungen hätten zum Beispiel unterschiedliche Farben. Sicherlich würden sie innerhalb eines kleinen Volumens konstant bleiben, zum Beispiel innerhalb des Flugzeugs in unserem Beispiel, was impliziert, dass das Licht nicht mit dem Flugzeug (oder der Erde) in einer Art und Weise „mitlaufen“ würde, ähnlich wie der Schall. Auch könnte Licht nicht „das Medium wechseln“, zum Beispiel mit der Atmosphäre, während in der Nähe der Erde. Es war bereits gezeigt worden, dass, wenn dies so wäre, würde der Himmel in verschiedene Richtungen gefärbt werden, wie das Licht aus dem ruhenden Medium des Äthers in das bewegte Medium der Erdatmosphäre bewegt, was zu Beugung.

Daher sollte es an jedem Punkt ein spezielles Koordinatensystem geben, „in Ruhe relativ zum Äther“. Maxwell bemerkte in den späten 1870er Jahren, dass es einfach genug sein sollte, eine Bewegung relativ zu diesem Äther zu erkennen – Licht, das sich „mit“ der Bewegung der Erde bewegt, würde eine andere Geschwindigkeit haben als Licht, das sich „rückwärts“ bewegt, da sich beide gegen den unbewegten Äther bewegen würden. Selbst wenn der Äther hatte eine allgemeine universelle Strömung, Änderungen in der Position während der Tag/Nacht-Zyklus, oder über die Spanne von Jahreszeiten, sollte die „Drift“ zu erkennen.

Experimente

Numerous Experimente wurden in den späten 1800er Jahren durchgeführt, um für diese „Äther Wind“-Effekt zu testen, aber die meisten waren offen für Streitigkeiten aufgrund der geringen Genauigkeit. Messungen der Ausbreitungsgeschwindigkeit waren so ungenau, dass es im Grunde unmöglich war, zwei Geschwindigkeiten zu vergleichen, um nach einem Unterschied zu suchen.

Das berühmte Michelson-Morley-Experiment verglich stattdessen die Lichtquelle mit sich selbst, nachdem sie in verschiedene Richtungen geschickt worden war, und suchte nach Änderungen der Phase, die mit extrem hoher Genauigkeit gemessen werden konnten. Die Veröffentlichung ihres Ergebnisses im Jahr 1887, das Nullergebnis, war die erste klare Demonstration, dass mit dem Konzept des „absoluten Äthers“ etwas ernsthaft falsch war. Eine Reihe von Experimenten mit ähnlichen, aber zunehmend anspruchsvolleren Apparaten lieferte ebenfalls das Nullergebnis. Ein konzeptionell anderes Experiment, das ebenfalls versuchte, die Bewegung des Äthers nachzuweisen, war das Trouton-Noble-Experiment von 1903, das wie Michelson-Morley ein Nullergebnis erzielte.

Es ist wichtig zu verstehen, was „Nullergebnis“ in diesem Zusammenhang bedeutet. Es bedeutet nicht, dass keine Bewegung festgestellt wurde; es bedeutet vielmehr, dass die Ergebnisse des Experiments nicht mit den Annahmen vereinbar waren, unter denen es entwickelt wurde. In diesem Fall zeigte das MM-Experiment eine kleine positive Geschwindigkeit, die eine Bewegung des Streifenmusters von etwa 0,01 eines Streifens verursachte; es war jedoch zu klein, um den erwarteten Ätherwind-Effekt aufgrund der (jahreszeitlich schwankenden) Geschwindigkeit der Erde zu demonstrieren, der eine Verschiebung von 0,4 eines Streifens erfordert hätte, und der Fehler war klein genug, dass der Wert tatsächlich Null gewesen sein kann. Modernere Experimente haben seitdem den möglichen Wert auf eine Zahl sehr nahe bei Null reduziert, etwa 10-15.

Diese „Äther-Wind“-Experimente führten zu seiner Aufgabe durch einige Wissenschaftler, und zu einer Flut von Bemühungen zu „retten“ Äther durch die Zuweisung es immer komplexere Eigenschaften durch andere. Von besonderem Interesse war die Möglichkeit der „Äther Mitnahme“ oder „Äther Widerstand“, die die Größe der Messung, vielleicht genug, um MMX Ergebnisse zu erklären senken würde. Allerdings, wie bereits erwähnt, hatte Äther ziehen bereits Probleme seiner eigenen, insbesondere Aberration. Eine direktere Messung wurde in der Hamar-Experiment, das eine komplette MM Experiment mit einem der „Beine“ zwischen zwei massiven Bleiblöcken platziert lief gemacht. Wenn der Äther durch Masse gezogen wurde, dann würde dieses Experiment in der Lage gewesen, den Widerstand durch die Führung verursacht zu erkennen, aber wieder das Null-Ergebnis gefunden wurde. Ähnliche Experimente von Hoek platziert ein Bein in einem schweren Bottich mit Wasser. Die Theorie wurde wieder modifiziert, dieses Mal zu schlagen, dass die Mitnahme nur für sehr große Massen oder die Massen mit großen Magnetfeldern gearbeitet. Auch dies erwies sich als falsch, als Oliver Joseph Lodge keinen solchen Effekt um andere Planeten feststellte.

Ein weiterer, völlig anderer Versuch, den „absoluten“ Äther zu retten, wurde in der Lorentz-Fitzgerald-Kontraktionshypothese unternommen, die postulierte, dass alles von der Reise durch den Äther betroffen sei. In dieser Theorie der Grund der Michelson-Morley-Experiment „fehlgeschlagen“ war, dass es in der Länge in der Richtung der Reise zusammengezogen. Das heißt, das Licht wurde in der „natürlichen“ Art und Weise durch seine Reise durch den Äther wie vorhergesagt betroffen, aber so war das Experiment selbst, Aufhebung jeder Unterschied, wenn gemessen. Auch Lorentz war nicht sehr glücklich mit diesem Vorschlag, obwohl es ordentlich lösen das Problem, und es war ein erster Schritt in Richtung Relativitätstheorie. Ohne auf einen Äther zu verweisen, wurde diese physikalische Interpretation der relativistischen Effekte von Kennedy und Thorndike 1932 geteilt, als sie feststellten, dass der Arm des Interferometers sich zusammenzieht und auch die Frequenz der Lichtquelle „sehr fast“ in der von der Relativitätstheorie geforderten Weise variiert.

Ein weiteres Experiment, das vorgab, Effekte eines Äthers zu zeigen, war Fizeaus experimentelle Bestätigung von Fresnels Vorhersage von 1818, dass ein Medium mit Brechungsindex n, das sich mit einer Geschwindigkeit v bewegt, die Geschwindigkeit des Lichts, das sich durch das Medium in der gleichen Richtung wie v bewegt, von c/n auf:

Das heißt, dass die Bewegung dem Licht nur einen Bruchteil der Geschwindigkeit des Mediums hinzufügt (von Fresnel vorausgesagt, damit das Snellsche Gesetz in allen Bezugssystemen funktioniert, was mit der stellaren Aberration vereinbar ist). Dies wurde zunächst so interpretiert, dass das Medium den Äther mit einem Teil der Geschwindigkeit des Mediums mitzieht, aber dieses Verständnis wurde verworfen, nachdem Wilhelm Veltmann gezeigt hatte, dass der Index n in Fresnels Formel von der Wellenlänge des Lichts abhängt (so dass der Äther sich nicht mit einer wellenlängenunabhängigen Geschwindigkeit bewegen kann). Mit dem Aufkommen der Speziellen Relativitätstheorie wurde Fresnels Gleichung 1907 von Laue als eine für v viel kleiner als c gültige Näherung für die korrekte relativistische Formel zur Addition der Geschwindigkeiten v (Medium) und c/n (Ruhezustand) gezeigt:

Variationen zu diesen Themen wurden in den nächsten 30 Jahren fortgesetzt. Mehrere der wichtigsten Forscher berichteten über positive Ergebnisse, darunter weitere Experimente von Michelson, Morley und Dayton Miller. Miller meldete mehrmals positive Ergebnisse, jedoch in einer Größenordnung, die weitere Modifikationen der Widerstands- oder Kontraktionstheorien erforderte. In den 1920er Jahren lieferte eine Reihe von immer genaueren Experimenten das Nullergebnis, und die positiven Ergebnisse wurden allgemein auf experimentelle Fehler zurückgeführt.

Weitere positive Ergebnisse lieferten Sagnac 1913 und das Michelson-Gale-Pearson-Experiment 1925. Dieser als Sagnac-Effekt bekannte Effekt wird heute in optischen Kreiseln genutzt und zeigt, dass die Rotation für Licht ähnlich „absolut“ ist wie für Pendel. Sagnac betrachtete dies als Beweis für den Äther

Ende des Äthers?

Die Äthertheorie erhielt einen weiteren Schlag, als sowohl die Galilei-Transformation als auch die Newtonsche Dynamik durch Albert Einsteins spezielle Relativitätstheorie modifiziert wurden und die Mathematik der Lorentz’schen Elektrodynamik in einen neuen, „nicht-ätherischen“ Kontext gestellt wurde. Wie die meisten großen Veränderungen im wissenschaftlichen Denken, geschah die Abkehr von der Äthertheorie nicht sofort, aber als sich die experimentellen Beweise häuften und als ältere Wissenschaftler das Feld verließen und ihre Plätze von den Jungen eingenommen wurden, verlor das Konzept seine Anhänger.

Einstein stützte seine spezielle Theorie auf Lorentz‘ frühere Arbeiten, aber anstatt vorzuschlagen, dass sich die mechanischen Eigenschaften von Objekten mit ihrer Bewegung mit konstanter Geschwindigkeit durch einen Äther ändern, ging er den etwas radikaleren Schritt und schlug vor, dass die Mathematik eine allgemeine Transformation war und dass die Galilei-Transformation ein „Spezialfall“ war, der nur bei den niedrigen Geschwindigkeiten funktionierte, die wir bis zu diesem Zeitpunkt untersucht hatten. Indem er die Transformation auf alle Inertialsysteme anwandte, zeigte er, dass die Physik wie bei der Galilei-Transformation invariant blieb, aber dass nun auch das Licht invariant war.

Mit der Entwicklung der Speziellen Relativitätstheorie war die Notwendigkeit, einen einzigen universellen Rahmen zu berücksichtigen, verschwunden – und der Äther ging mit ihm, so schien es zumindest.

Für Einstein bedeutete die Lorentz-Transformation eine radikale begriffliche Veränderung: dass der Begriff der Position in Raum oder Zeit nicht absolut war, sondern sich je nach Standort und Geschwindigkeit des Beobachters unterscheiden konnte. Diese „Seltsamkeit“ von Einsteins Interpretation führte dazu, dass die Spezielle Relativitätstheorie eine Zeit lang als höchst fragwürdig galt.

All dies ließ das Problem der Lichtausbreitung durch ein Vakuum offen. In einer weiteren Arbeit, die im selben Monat veröffentlicht wurde, machte Einstein jedoch auch einige Beobachtungen zu einem damals heiklen Problem, dem photoelektrischen Effekt. In dieser Arbeit zeigte er, dass Licht als Teilchen betrachtet werden kann, die eine „wellenartige Natur“ haben. Teilchen brauchen offensichtlich kein Medium, um sich fortzubewegen, und somit auch das Licht nicht. Dies war der erste Schritt, der zur vollständigen Entwicklung der Quantenmechanik führen sollte, in der sowohl die wellenartige Natur als auch die teilchenartige Natur des Lichts als Vereinfachungen dessen betrachtet werden, was „wirklich passiert“. Eine Zusammenfassung von Einsteins Überlegungen zur Ätherhypothese, zur Relativitätstheorie und zu den Lichtquanten findet sich in seinem 1909 gehaltenen Vortrag „Die Entwicklung unserer Anschauungen über die Zusammensetzung und das Wesen der Strahlung“

Lorentz seinerseits verwendete das Ätherkonzept weiter. In seinen Vorlesungen um 1911 wies er darauf hin, dass das, was „die Relativitätstheorie zu sagen hat“, „unabhängig davon ausgeführt werden kann, was man vom Äther und der Zeit hält“. Er erinnerte seine Zuhörer an die Tatsache, dass „ob es einen Äther oder nicht, elektromagnetische Felder sicherlich existieren, und so auch die Energie der elektrischen Schwingungen“, so dass, „wenn wir nicht wie der Name „Äther“, müssen wir ein anderes Wort als Pflock, um all diese Dinge hängen auf.“ Er schloss daraus, dass „man dem Träger dieser Begriffe eine gewisse Substantialität nicht absprechen kann“.

Paul Langevin war ein starker Befürworter der speziellen Relativitätstheorie, argumentierte aber 1911, dass absolute Effekte von Geschwindigkeitsänderungen oder Beschleunigungen (wie Strahlung) die Existenz eines Äthers beweisen. Als zusätzliche Veranschaulichung diskutierte er den absoluten Effekt der Geschwindigkeitsänderung auf die Zeitdilatation bei zwei Raumfahrern. Dieses Beispiel sollte später zum Zwillingsparadoxon führen.

In der Zwischenzeit änderte Einstein seine Meinung über das Ätherkonzept. In einer Vorlesung zu seinem Amtsantritt an der Universität Leiden im Jahr 1920 betonte Einstein, dass der Raum „mit physikalischen Größen ausgestattet ist“ Er vertrat die Ansicht, dass die allgemeine Relativitätstheorie dem Raum greifbare physikalische Eigenschaften zuschreibt, darunter eine Art Medium für Licht, wenn auch kein materielles. Kurz vor seinem Vortrag in Leyden im Jahr 1920 räumte er in der Schrift: „Grundgedanken und Methoden der Relativitätstheorie in ihrer Entwicklung dargestellt“:

„Deshalb dachte ich 1905, dass man in der Physik überhaupt nicht vom Äther sprechen sollte. Dieses Urteil war allerdings zu radikal, wie wir bei den nächsten Überlegungen zur allgemeinen Relativitätstheorie sehen werden. Im Übrigen bleibt es nach wie vor erlaubt, ein raumfüllendes Medium anzunehmen, wenn man sich auf elektromagnetische Felder (und damit sicher auch auf Materie) als deren Bedingung berufen kann.“

Auch Michelson, der 1907 für seine optischen Studien den Nobelpreis für Physik erhielt, meinte 1923, dass man den Äther nicht ablehnen müsse, auch wenn die Relativitätstheorie Bestand habe. Einige andere Physiker, die ihre Unterstützung für das moderne Ätherkonzept veröffentlichten, waren Herbert Ives, Paul Dirac und Geoffrey Builder.

Ives war der erste, der den Einfluss der Geschwindigkeit auf die Taktraten positiv gemessen hat. Er schrieb 1940 in einem Aufsatz in Science:

„Ich habe die populäre Behauptung betrachtet, dass der Äther „abgeschafft“ wurde. Unter Rückgriff auf experimentelle Befunde habe ich das Experiment von Sagnac überprüft, unter Berücksichtigung der Behauptung, dass der Äther experimentell nicht nachgewiesen werden kann. Ich habe behauptet, dass im Lichte der experimentell gefundenen Variation der Taktrate mit der Bewegung, dieses Experiment den Äther nachweist.“

G. Builder behauptete in einem Aufsatz von 1958, dass „es daher keine Alternative zur Ätherhypothese gibt.“

Professor Sherwin unterstützte 1960 den „philosophischen Standpunkt“ von Ives und Builder über den Äther aufgrund seiner eigenen Schlussfolgerung, dass Uhren „buchstäblich durch die Geschwindigkeit selbst verlangsamt werden.“

Auch Dirac stellte 1951 in einem Artikel in Nature mit dem Titel „Is there an ether?“, dass „wir eher gezwungen sind, einen Äther zu haben“

Die große Mehrheit der Wissenschaftler war mit solchen Ansichten nicht einverstanden.

Anhänger bleiben

Heute ist die Mehrheit der Physiker der Meinung, dass es keinen Grund gibt, sich die Existenz eines Mediums für die Lichtausbreitung vorzustellen. Sie glauben, dass weder Einsteins allgemeine Relativitätstheorie noch die Quantenmechanik dafür Bedarf haben und dass es keine Beweise dafür gibt. Daher ist ein klassischer Äther eine unnötige Ergänzung der Physik, die gegen das Prinzip von Occams Rasiermesser verstößt.

Außerdem ist es schwierig, eine Äthertheorie zu entwickeln, die mit allen Experimenten der modernen Physik konsistent ist. Jede neue Äthertheorie muss mit allen Experimenten konsistent sein, mit denen die Phänomene der speziellen Relativitätstheorie, der allgemeinen Relativitätstheorie, der relativistischen Quantenmechanik und so weiter getestet werden. Wie bereits angedeutet, sind diese Bedingungen oft widersprüchlich, was eine solche Aufgabe von Natur aus schwierig macht.

Dennoch lässt sich der intuitive Reiz eines kausalen Hintergrunds für „relativistische“ Effekte nicht leugnen. Einige Physiker sind der Meinung, dass es in der modernen Physik noch eine Reihe von Problemen gibt, die durch ein Ätherkonzept vereinfacht werden, so dass Occams Rasiermesser nicht gilt.

Eine sehr kleine Anzahl von Physikern (wie Dayton Miller und Edward Morley) hat die Forschung am Äther noch einige Zeit fortgesetzt, und gelegentlich werben Forscher wie Harold Aspden immer noch für das Konzept.

In den letzten Jahren wurde eine Reihe von neuen Ätherkonzepten vorgeschlagen. Diese Äther unterscheiden sich jedoch erheblich vom klassischen leuchtenden Äther.

In einem umstrittenen Quantenansatz zur Gravitation, der Schleifenquantengravitation genannt wird, ist die Raumzeit mit einer Struktur gefüllt, die Spinschaum genannt wird. Ähnlich wie der Äther wählt er ein privilegiertes Bezugssystem und ist unvereinbar mit der Lorentz-Invarianz, einer Symmetrie der speziellen Relativitätstheorie. Seine Existenz widerspricht daher potenziell den Michelson-Morley-artigen Experimenten.

Maurizio Consoli vom italienischen Nationalen Institut für Kernphysik in Catania, Sizilien, argumentiert in Physics Letters A (Bd. 333, S. 355), dass jedes Michelson-Morley-artige Experiment, das in einem Vakuum durchgeführt wird, keinen Unterschied in der Lichtgeschwindigkeit zeigen wird, selbst wenn es einen Äther gibt. Seiner Meinung nach legen die elektroschwache Theorie und die Quantenfeldtheorie nahe, dass sich Licht in einem Medium wie einem dichten Gas im Widerspruch zur Speziellen Relativitätstheorie scheinbar mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten in verschiedene Richtungen bewegen könnte; die Lichtgeschwindigkeit wäre empfindlich gegenüber der Bewegung relativ zu einem Äther und dem Brechungsindex des Mediums. Consoli und Evelina Costanzo schlagen ein Experiment mit Laserlicht vor, das Hohlräume durchläuft, die mit einem relativ dichten Gas gefüllt sind. Beim Durchgang durch einen Ätherwind würde sich das Licht in einer Richtung schneller bewegen als in der senkrechten Richtung. Consoli und Constanzo haben das vorgeschlagene Experiment nicht durchgeführt. Die mathematische Behandlung ihres Papiers verwendet nicht den relativistischen Mitnahmekoeffizienten, um die Lichtgeschwindigkeit in einem bewegten Medium zu berücksichtigen, und die meisten Physiker betrachten dies als einen elementaren Fehler, der zu ihren falschen Schlussfolgerungen führt. Ihr Papier ist sehr ähnlich zu einem anderen, ähnlich fehlerhaften Papier von Reg Cahill („R.T. Cahill A New Light-Speed Anisotropy Experiment: Absolute Motion and Gravitational Waves Detected, in Progress in Physics, vol 4 , 2006“ ), einem weiteren Befürworter eines Experiments, das den schwer fassbaren „Vorzugsrahmen“ nachweisen würde. Cahill behauptet, absolute Bewegung in Bezug auf ein Präferenzraster nachgewiesen zu haben, aber seine Arbeit leidet unter den gleichen mathematischen Mängeln wie die Arbeit von Consoli-Constanzo sowie unter dem Fehlen von experimentellen Fehlerbalken in seiner experimentellen Datenverarbeitung. Folglich hatte ihre Forschung keinen Einfluss auf die Physikgemeinschaft.

Außerhalb der wissenschaftlichen Gemeinschaft

Einige Anhänger des modernen Geozentrismus behaupten, dass das Michelson-Morley-Experiment beweist, dass die Erde stationär ist, was sie wiederum dazu veranlasst, das Universum in Form eines Äthers oder „Firmaments“ zu erklären. Viele dieser Ideen sind mit fundamentalistischen Interpretationen des Christentums verwandt.

Ätherkonzepte

• Äthertheorien
• Äther (klassisches Element)
• Ätherwiderstandshypothese