Äther (Physik)

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Der physikalische Begriff des Äthers (griech. αιθηρ [aithär] für der (blaue) Himmel) bezeichnet eine Substanz, die im ausgehenden 17. Jahrhundert als Medium für die Ausbreitung von Licht postuliert wurde. Der Begriff wurde von Christiaan Huygens (1629–1695) eingeführt und wird seit der allgemeinen Akzeptanz der speziellen Relativitätstheorie Albert Einsteins (1879–1955) und der Quantenmechanik nicht mehr als physikalisches Konzept benötigt.

Inhaltsverzeichnis

1 Der Lichtäther
2 Zweifel an der Existenz des Lichtäthers
3 Ätherbegriff heute
4 Zitierte Quellen
5 Literatur
6 Weblinks
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[Bearbeiten] Der Lichtäther

Die neuzeitlichen Äthertheorien gehen auf die Aristotelische (384–322 v. Chr.) Elementenlehre zurück, bei der der Äther das Medium der gleichmäßigen Kreisbewegungen der Gestirne war. René Descartes (1596–1650) nahm diese Vorstellung 1637 in seiner Theorie über die Lichtbrechung auf, in dem er Lichtteilchen postulierte. Christiaan Huygens interpretierte im Unterschied dazu 1690 das Licht als Wellenphänomen und führte den Äther als Trägermedium für die Ausbreitung des Lichts ein, in Analogie zur Luft für den Schall. Dieser Lichtäther durchdrang nach seiner Vorstellung die feste Materie ebenso wie den leeren Raum des Weltalls. Der Äther transportierte gemäß dieser Vorstellung nicht nur Lichtstrahlen, sondern auch die Wärmestrahlung.

Isaac Newton (1643–1727) ging hingegen davon aus, dass Licht aus Partikeln besteht, um die geradlinige Ausbreitung und Reflexionserscheinungen mechanisch interpretieren zu können. Allerdings konnte er mit diesem Modell die Lichtbrechung und Beugungserscheinungen nur unbefriedigend erklären und war ebenfalls auf die Vorstellung eines Mediums angewiesen. In seinem einflussreichen Werk Opticks (1704) postulierte er daher ausgehend vom Phänomen der Wärmestrahlung ein „Ätherisches Medium“, in dem sich Schwingungen schneller als Licht ausbreiten können:

„Wird nicht die Wärme eines Raumes durch die Schwingungen eines viel feineren Mediums im Vakuum transportiert, das nach Evakuierung der Luft im Vakuum verbleibt? Und ist dieses Medium nicht dasselbe wie jenes, durch das Licht gebrochen und reflektiert wird und durch dessen Schwingungen das Licht Wärme zu Körpern überträgt und dabei in Zustände leichter Reflexion und Weiterleitung versetzt wird?“ [1]

Bereits vor Huygens war es zu heftigen Diskussionen gekommen, ob ein leerer Raum denkbar sei. Blaise Pascal (1623–1662) bemerkte hierzu: „Eher erträgt die Natur ihren Untergang, als den kleinsten leeren Raum.“ Pascal kritisierte damit das Postulat von Zeitgenossen, sie hätten via Unterdruck ein völliges Vakuum erzeugen können. Er bezog sich damit insbesondere auf Torricellis Annahme, einen leeren Raum erzeugt zu haben. Pascal verwies darauf, dass Fehlen von Luft nicht automatisch Leerheit des Raums sei.

Fresnel (1788–1827) leitete 1819 optischen Erscheinungen nach dem Vorbild der Mechanik aus Eigenschaften des Äthers ab. Nach seiner Undulationstheorie verhalte sich Äther gegenüber transversalen Lichtwellen wie ein elastischer fester Körper.

Der Ätherbegriff war bis ins 20. Jahrhundert eine allgemein anerkannte physikalische Grundvorstellung. Mit der Entwicklung der Elektrodynamik und insbesondere durch die Maxwell'schen Gleichungen, die Maxwell 1861 bis 1864 entwickelt hatte, rückte der Ätherbegriff wieder in den Blickpunkt physikalischer Theoriebildung. Der Äther wurde dadurch zum Träger aller elektrodynamischen Phänomene einschließlich der Optik. Heinrich Hertz (1856–1894) brachte die zeitgenössische Ansicht auf den Punkt: „Nehmt aus der Welt die Elektrizität, und das Licht verschwindet; nehmt aus der Welt den lichttragenden Äther, und die elektrischen und magnetischen Kräfte können nicht mehr den Raum überschreiten.“ (Gesammelte Werke, Bd.1., Leipzig 1895, S. 339.)

[Bearbeiten] Zweifel an der Existenz des Lichtäthers

Das Konzept an sich wies schon die Schwäche auf, dass der Äther einerseits Eigenschaften eines starren Körpers haben musste, um die Schwingungen des Lichts aufnehmen zu können, andererseits aber Eigenschaften einer Flüssigkeit zeigen musste. Untersuchungen zur Äthertheorie hatten zwischenzeitlich zu der Annahme geführt, dass der Ätherstoff etwa 1,5 · 10¹¹ mal leichter sein müsse als atmosphärische Luft.

Beim Interferenzversuch von Michelson und Morley 1887 (siehe auch Interferometer) wurde festgestellt, dass die Geschwindigkeit der Erde (an der Erdoberfläche) relativ zum vermuteten Lichtäther gleich null ist. Da man von einer Bewegung der Erde im Medium ausging, erwuchsen aus diesem Experiment erste Zweifel an der Existenz eines Lichtäthers.

Maxwell selbst, Lord Kelvin (1824–1907), Philipp Lenard (1862–1947) und viele andere versuchten mit teilweise aufwändigen Experimenten, die Elektrodynamik als Wirkungen verborgener mechanischer Kräfte im Äther nachzuweisen. Nachdem dies nicht gelang, versuchten die Physiker, die Mechanik in das System der Elektrodynamik einzubeziehen. Dadurch entstanden teilweise fantastische Hypothesen über die Ätherkonstitution, die vor allem von jungen Physikern und frühen Anhängern der Relativitäts- und Quantentheorie belächelt wurden. So witzelte Max Born 1920:

„Wollte man sie wörtlich nehmen, so wäre der Äther eine fürchterliche Maschinerie von unsichtbaren Zahnrädern, Kreiseln und Getrieben, die in der verwickeltsten Weise ineinander greifen, und von all dem Wust wäre nichts zu merken als einige relativ einfachen Kräfte, die als elektromagnetisches Feld in Erscheinung treten.“ (Born 1920, S. 136.)

Der von Newton postulierten Fernwirkung der Kräfte in der klassischen Mechanik stand die Vorstellung von Feldern in der Elektrodynamik gegenüber, die sich nur mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten können und daher eine Nahwirkung mit dem Äther erforderten. Beide Konzepte schlossen sich aus, bis Einstein 1905 erkannte, dass nicht die Elektrodynamik zur Mechanik hin umgestaltet werden müsse, sondern „daß die klassische Mechanik in ihren Grundbegriffen zur Elektrodynamik hin umgestaltet werden müsse.“ (Einstein 1905, S. 891.) Seine berühmte Arbeit über die spezielle Relativitätstheorie trug daher den Titel Zur Elektrodynamik bewegter Körper.

Einstein zeigte darin, dass die elektromagnetischen Felder nicht Zustände eines Mediums sind und man insofern auf den Lichtäther verzichten kann.

Allerdings glauben heute viele Physiker zu Unrecht, Einstein habe aufgrund dieser Erkenntnis den Begriff des Äthers grundsätzlich und endgültig über Bord geworfen. Im Gegenteil. Bereits weltberühmt als Schöpfer der allgemeinen Relativitätstheorie hielt Albert Einstein 1920 in Leiden einen Vortrag über „Äther und Relativitätstheorie“. Im Hinblick auf die Überlegungen von Mach bezüglich der Rotation eines Systems im leeren Raum und die Aussagen der allgemeinen Relativitätstheorie postulierte Einstein nun einen neuen Ätherbegriff:

„Den Äther leugnen bedeutet letzten Endes annehmen, daß dem leeren Raume keinerlei physikalische Eigenschaften zukommen. Mit dieser Auffassung stehen die fundamentalen Tatsachen der Mechanik nicht im Einklang. Das mechanische Verhalten eines im leeren Raume frei schwebenden Körpers hängt nämlich außer von den relativen Lagen (Abständen) und relativen Geschwindigkeiten noch von seinem Drehungszustande ab, der physikalisch nicht als ein dem System an sich zukommendes Merkmal aufgefasst werden kann …“

Einstein verweist auf den Versuch von Ernst Mach, die Trägheit der Materie als Folge einer Beschleunigung gegenüber den fernen Massen im Weltall zu verstehen. Weil dies aber nur mit einer unannehmbaren unmittelbaren Fernwirkung zu erklären wäre, müsse man eben zwangsläufig einen Äther als Vermittler der Trägheitswirkung akzeptieren. Einstein fährt fort:

„Dieser Ätherbegriff unterscheidet sich aber wesentlich vom Ätherbegriff Newtons, Fresnels und Lorentz'. Dieser Machsche Äther bedingt nicht nur das Verhalten der trägen Massen, sondern wird in seinem Zustand auch bedingt durch die trägen Massen. Der Machsche Gedanke findet seine volle Entfaltung in dem Äther der allgemeinen Relativitätstheorie.“

Da man die Elementarteilchen der Materie als Verdichtungen des elektromagnetischen Feldes verstehen könne, sagt Einstein, gebe es zwei aneinander gebundene Realitäten, einerseits den Gravitationsäther und andererseits das elektromagnetische Feld, „oder – wie man sie auch nennen könnte – Raum und Materie“.

Damit wird deutlich, dass für Einstein der „Raum“ seiner allgemeinen Relativitätstheorie wesensgleich ist mit dem, was er den neuen Äther nennt. Abschließend wies Einstein nachdrücklich darauf hin, dass man sich diesen Äther keinesfalls als aus Teilen bestehend denken dürfe, deren Bewegung man durch die Zeit verfolgen kann.

Im Licht der Quantentheorie mag Einsteins Schlussbemerkung den faszinierenden, von einigen Physikern verfolgten Gedanken unterstützen, dass im Raum bzw. Äther andauernd auf- und abtauchende „virtuelle“ Teilchen die Trägheit der Materie hervorrufen.

[Bearbeiten] Ätherbegriff heute

In der Funkersprache und Nachrichtentechnik schlägt dieses Bild noch bis heute in bestimmten Begriffen nieder. Man spricht von „Nachrichten im Äther“, aber auch von Ethernet, wo alle Teilnehmer ursprünglich am selben Äther, also am Bus lauschten.

[Bearbeiten] Zitierte Quellen

Albert Einstein: Zur Elektrodynamik bewegter Körper. In: Annalen der Physik 17 (1905), S. 891-921. Faksimile
Max Born: Die Relativitätstheorie Einsteins, Berlin 1920, ISBN 978-3-540-00470-7.
Philipp Lenard, Über Äther und Materie. Vortrag, gehalten in der Gesamtsitzung der Heidelberger Akademie der Wissenschaften am 4. Juni 1910. Abgedruckt in: Lenard 2003, S. 379 ff.
Philipp Lenard: Wissenschaftliche Abhandlungen, Band 4. Herausgegeben und kritisch kommentiert von Charlotte Schönbeck. Diepholz/Berlin 2003 [postum], ISBN 3-928186-35-3.
Albert Einstein: Äther und Relativitätstheorie. Rede gehalten am 5. Mai 1920 an der Reichs-Universität zu Leiden. Gedruckt: Springer/Berlin 1920

[Bearbeiten] Literatur

Christiaan Huygens: Abhandlung über das Licht (Tractatus de lumini), Deutsch, Thun, 1996, ISBN 3-8171-3020-1 (Repr. d. Ausg. 1690)
Johann Friedrich Radinger: Der Äther und das Licht, Gerold, Wien, 1901