Seit über hundert Jahren akzeptieren wir, dass die Lichtgeschwindigkeit in allen Bezugssystemen gleich ist. Was ich mich frage ist - wie wurde das festgestellt?
Ich kenne das Experiment von Michelson und Morley, aber das hat nur gezeigt, dass die Lichtgeschwindigkeit nicht von der Bewegung der Lichtquelle abhängt. Wie in - es ist nicht so, als würde eine Kanonenkugel aus einer sich bewegenden Kanone geschossen.
Aber hier ist ein anderer Gedanke – was wäre, wenn Licht wie Schall wäre, eine Welle, die sich in einem Medium ausbreitet? Und dieses Medium selbst kann auch eine Geschwindigkeit haben? Nehmen wir zum Beispiel das klassische Beispiel von zwei Personen – eine in einem Zug und die andere auf dem Bahnsteig. Wenn jeder von ihnen die Schallgeschwindigkeit misst, erhalten sie denselben Wert. Wenn einer den Ton erzeugt und der andere versucht, die Geschwindigkeit zu messen, die dieser bestimmte Ton in seiner Nähe hat (wie das Experiment von Michelson und Morley), erhalten sie auch denselben Wert.
In diesem Setup werden beide Personen auch zu dem Schluss kommen, dass die Schallgeschwindigkeit gleich ist, egal wie schnell sich die Schallquelle bewegt. Es kann einen Doppler-Effekt geben (der auch für Licht beobachtet wird), aber die Schallgeschwindigkeit selbst bleibt konstant.
Das liegt daran, dass sich die Schallwellen durch die Luft (oder kurz das Material des Waggons) ausbreiten und sich die Luft im Waggon relativ zur Außenluft bewegt. Im Wesentlichen beschleunigt sich der Schall, wenn er in den Wagen eintritt, und verlangsamt sich, wenn er ihn verlässt. Da man Schall aber nicht aus der Ferne messen kann, sieht man diesen Effekt auch nicht.
Nun, offensichtlich funktioniert die Welt so nicht und es wurde inzwischen gründlich getestet, aber ich frage mich - wie wurde diese Möglichkeit ausgeschlossen? Welche Experimente widersprachen ihm?
Was wäre, wenn Licht wie Schall wäre, eine Welle, die sich in einem Medium ausbreitet? Und dieses Medium selbst kann auch eine Geschwindigkeit haben?
Das war in der Tat die vorherrschende Ansicht der wissenschaftlichen Gemeinschaft zur Zeit des berühmten Michelson-Morley-Experiments. Dieses Konzept wird der leuchtende Äther genannt.
Grob gesagt gibt es drei verschiedene Arten von Äthertheorien: starrer Äther, geschleppter Äther und Lorentz-Äther.
Die Theorie des starren Äthers besagt, dass der Äther ein sehr steifes, aber nahezu masseloses festes Material ist. Dies stimmte mit den bekannten Tatsachen überein, dass Licht polarisiert werden kann und dass seine Geschwindigkeit sehr hoch ist. Der starre Äther wurde durch das Michelson-Morley-Experiment im Wesentlichen widerlegt, weil sie ihr Experiment im Laufe des Jahres durchgeführt haben, sodass sich die Erde irgendwann in Bezug auf diesen starren Äther bewegt hätte.
Die Schleppäthertheorien gewannen an Popularität nach dem Versagen des starren Äthers. Im Grunde schlugen sie einen Äther vor, der flüssiger ist und an der Materie haftet, um mitgezogen zu werden. Verschiedene Schleppäthertheorien unterschieden sich in der Stärke des Schleppens. Diese Theorien wurden mit dem Experiment von Sagnac widerlegt. Sagnac zeigte, dass ein Ringinterferometer die Erdrotation maß und dass die gemessene Rotationsrate gleich der astronomisch bestimmten war. Ein vollständig geschleppter Äther hätte kein Interferenzmuster erzeugt und ein teilweise geschleppter Äther hätte eine reduzierte Interferenz erzeugt.
Der Lorentz-Äther ist die einzige noch tragfähige Äthertheorie. Es ist experimentell nicht davon zu unterscheiden, dass es keinen Äther gibt. Es soll im Wesentlichen da sein, aber niemals etwas tun, das es Ihnen ermöglichen würde, es zu erkennen. Während es also lebensfähig ist, erklärt es nicht mehr, als dass es keinen Äther gibt.
Bei der Verwendung des Begriffs „Lichtgeschwindigkeit“ ist es manchmal notwendig, zwischen der Geschwindigkeit in eine Richtung und der Geschwindigkeit in beide Richtungen zu unterscheiden. Die Lichtgeschwindigkeit in einer Richtung von einer Quelle zu einem Detektor kann nicht unabhängig von einer Konvention gemessen werden, wie die Uhren an der Quelle und dem Detektor synchronisiert werden. Was jedoch experimentell gemessen werden kann, ist die Hin- und Rückgeschwindigkeit (oder Lichtgeschwindigkeit in zwei Richtungen) von der Quelle zum Detektor und wieder zurück. Albert Einstein wählte eine Synchronisationskonvention (siehe Einstein-Synchronisation ), die die Geschwindigkeit in eine Richtung gleich der Geschwindigkeit in beide Richtungen machte. Die Konstanz der Einbahngeschwindigkeit in einem gegebenen Inertialsystem ist die Grundlage seiner speziellen Relativitätstheorie.
Viele Tests der speziellen Relativitätstheorie wie das Michelson-Morley-Experiment und das Kennedy-Thorndike-Experiment haben innerhalb enger Grenzen gezeigt, dass die Lichtgeschwindigkeit in zwei Richtungen in einem Trägheitssystem isotrop und unabhängig von dem betrachteten geschlossenen Pfad ist.
Die Lorenz-Äther-Theorie geht davon aus , dass die Einweg-Lichtgeschwindigkeit in allen Richtungen gleich ist, nur im bevorzugten Rahmen oder Äther. Licht breitet sich im Äther aus, wie Wellen auf Wasser. Gleichzeitigkeit ist in dieser Theorie absolut. In allen anderen sich im Äther bewegenden Labors ist es anisotrop, aber Beobachter in all diesen sich bewegenden Labors können es nicht ohne vorherige Uhrensynchronisation messen. Sie können nur die Lichtgeschwindigkeit in zwei Richtungen messen, die in allen Richtungen gleich zu sein scheint, wie das Experiment von Michelson Morley bestätigte. Die Lorentz-Theorie erklärt die Isotropie der Lichtgeschwindigkeit in zwei Richtungen durch die Verzerrung des Interferometers (Lorentz-Kontraktion) .
SR geht davon aus, dass die Einweg-Lichtgeschwindigkeit per Definition in allen sich relativ bewegenden Laboratorien gleich ist, und alle Beobachter in allen Laboratorien die Uhren "innerhalb" ihrer Laboratorien auf Einstein-Weg einstellen (synchronisieren) müssen (dies führt zur Relativität der Gleichzeitigkeit). Es ist klar, dass die von diesen Uhren gemessene Einweg-Lichtgeschwindigkeit in jedem Labor genau gleich der Konstante c sein wird.
In gewissem Sinne hat jeder Beobachter in besonderem Verhältnis sein eigenes "Ruhesystem", das ähnlich dem von Lorentz "bevorzugt" ist, weil die Einweg-Lichtgeschwindigkeit darin isotrop ist.
Da in beiden derselbe mathematische Formalismus auftritt, ist eine experimentelle Unterscheidung zwischen LET und SR nicht möglich. Es gab eine Reihe von Arbeiten , die diese Theorien verglichen.
Man kann leicht vergessen, dass die Einstein-Synchronisation nur eine Konvention ist . In rotierenden Rahmen, selbst in der speziellen Relativitätstheorie, verringert die Nichttransitivität der Einstein-Synchronisation ihre Nützlichkeit. Wenn Uhr 1 und Uhr 2 nicht direkt synchronisiert werden, sondern über eine Kette von Zwischenuhren, hängt die Synchronisation vom gewählten Pfad ab. Die Synchronisation um den Umfang einer rotierenden Scheibe ergibt eine nicht verschwindende Zeitdifferenz, die von der verwendeten Richtung abhängt . Dies ist beim Sagnac-Effekt wichtig . Das Global Positioning System berücksichtigt diesen Effekt.
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