Äther (Physik)

Lichtäther und elektromagnetischer Äther

17.-18. Jahrhundert

Die neuzeitlichen Äthertheorien gehen auf die Aristotelische (384–322 v. Chr.) Elementenlehre zurück, die den Äther als Medium der gleichmäßigen Kreisbewegungen der Gestirne einführte. René Descartes (1596–1650) nahm diese Vorstellung 1637 in seine Theorie über die Lichtbrechung auf, indem er kugelförmige Lichtteilchen postulierte, wobei der von diesen eng aneinander gepressten Teilchen ausgeübte Druck als Licht zu verstehen ist. Es gelang ihm dabei (wie vor ihm Willibrod Snell 1621), die Brechungsgesetze zu entdecken.

Nach Descartes 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 identisch mit einer völligen Leere des Raums sei.

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 Optics (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?“

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 transportiert gemäß dieser Vorstellung nicht nur Lichtstrahlen, sondern auch die Wärmestrahlung. Das bedeutet, es findet kein materieller Transport statt, vielmehr wird lediglich die Information über den Bewegungszustand übermittelt. Vor allem die Existenz der Brechung wurde für Huygens zu einem Hauptargument für die Wellentheorie.

19. Jahrhundert

;Doppelspaltexperiment Aufgrund der großen Autorität Newtons wurde die Korpuskeltheorie von den damaligen Physikern bevorzugt, bis Thomas Young (1805) der Wellentheorie zum Durchbruch verhalf. Young konnte als erster nachweisen, dass die Wellentheorie des Lichts manche Phänomene erklären konnte, die nicht mit der Korpuskeltheorie Newtons in Einklang zu bringen waren. So erklärte er z.B. die Newtonschen Ringe durch das Prinzip der Interferenz und führte als erster das Doppelspaltexperiment durch, dessen Ergebnis eindeutig für die Wellennatur des Lichts und somit für die Existenz des Äthers sprach.

;Teilweise oder vollständige Mitführung des Äthers Augustin Jean Fresnel (1788–1827) war es schließlich, der eine ausgearbeitete und vielfach bis zur heutigen Zeit gültige Theorie der optischen Erscheinungen auf Basis des Lichtäthers gab. Er leitete 1819 die optischen Erscheinungen nach dem Vorbild der Mechanik aus Eigenschaften des Äthers ab. Nach seiner Undulationstheorie verhält sich Äther gegenüber transversalen Lichtwellen wie ein elastischer fester Körper. Das bedeutet, im leeren Raum ist der Äther in Ruhe und das Licht breitet sich in alle Richtungen gleich schnell aus. Im Widerspruch dazu stand das Experiment von François Arago (1818). Nach der Äthertheorie wäre zu erwarten, dass es durch die Brechzahl der Linsen in einem Fernrohr zu unterschiedlichen Messung der Lichtgeschwindigkeit kommen muss. Diese Erwartung konnte durch das Experiment jedoch nicht bestätigt werden. Fresnel erklärte das Ergebnis nun mit der Annahme, dass die Lichtgeschwindigkeit in den Körpern durch die Bewegung der Materie durch teilweise Mitführung des Äthers modifiziert wird. Der Mitführungskoeffizient ist

\phi=(1- \frac {1} {n^2}) v

wo v die Geschwindigkeit des Mediums und n die Brechzahl ist.

Im Gegensatz zu Fresnel ging George Gabriel Stokes von einer vollständigen Mitführung des Äthers aus. Da das Experiment von Arago sehr kompliziert war, konnte es nicht zugunsten einer der beiden Theorien verwendet werden. Dies wurde erst durch das Experiment von Armand Hippolyte Louis Fizeau (1851) ermöglicht. Er verwendete eine Interferometer-Anordnung, bei der die Lichtgeschwindigkeit im Wasser gemessen wurde. Das Ergebnis sprach für eine teilweise Mitführung des Äthers im Sinne Fresnels.

Damit in engem Zusammenhang stand die Aberration des Lichtes. Wellentheorien haben das Problem, dass dieses Phänomen eigentlich gar nicht auftreten dürfte. Fresnel konnte jedoch mit Hilfe der teilweisen Mitführung eine Erklärung dafür liefern. Stokes’ Theorie der vollständigen Mitführung hingegen konnte nicht vollständig mit diesem Effekt in Einklang gebracht werden.

Elektromagnetischer Äther

Nachdem im 16.-17. Jahrhundert diverse Ätherdruckmodelle zur Erklärung von Magnetismus und Elektrizität entwickelt worden waren, führte der Siegeszug der Newtonschen Gravitationstheorie dazu, dass auch für diese Phänomene eine Fernwirkung ohne Äther vorausgesetzt wurde. Es entstanden so die wichtigen Theorien von Charles Augustin de Coulomb und André Marie Ampère. Allerdings wurde bereits von Wilhelm Eduard Weber (1856) und anderen bemerkt, dass die Lichtgeschwindigkeit innerhalb des Elektromagnetismus eine bedeutende Rolle spielte.

;Faraday und Maxwell Eine Interpretation dieses Zusammenhangs gelang dann zuerst Michael Faraday. Dieser schloss, dass es Kraftlinien im Äther gäbe, welche die elektromagnetischen Wirkungen mit endlicher Geschwindigkeit übermitteln.

Durch die Maxwellschen Gleichungen, die James Clerk Maxwell 1861 bis 1864 entwickelt hatte, konnte schließlich die Vereinigung der Optik und Elektrodynamik erreicht werden. Der Äther wurde dadurch zum Träger aller elektrodynamischen Phänomene einschließlich der Optik (wobei Maxwell den Fresnelschen Lichtäther übernehmen konnte). Das Bindeglied war die Lichtgeschwindigkeit, welche als Grenzgeschwindigkeit relativ zum Äther galt. Maxwell selbst formulierte mehrere mechanische Äthermodelle, um Aspekte seine Theorie besser ausgestalten zu können, jedoch gelang es ihm nicht, eine einheitliche Äthertheorie, welche das gesamte elektromagnetische Feld erklärt, zu erstellen.

Bestätigt wurde Maxwells Theorie durch Heinrich Rudolf Hertz (1888), als dieser die von Maxwell vorausgesagte endliche Ausbreitungsgeschwindigkeit der elektromagnetischen Kräfte direkt nachwies. Er brachte die zeitgenössische Ansicht über den Äther 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.

Äthermodelle

Ein Hauptproblem der meisten Modelle, insbesondere von Fresnels Äther als Feststoffkörper, war, 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.

Um das Problem des Widerstandes zu umgehen, wurde von manchen Physikern angenommen, dass der Äther die einzig wirkliche Materie sei und normale Materie eigentlich gar nicht existiere. Lord Kelvin z.B. gilt der Äther als eine Flüssigkeit, und die Materie pflanzt sich als Wirbel in diesem Medium fort, so wie Vibrationen in einem Medium – einen Widerstand gibt es in diesem Zusammenhang nicht. Nach Joseph Larmor ist Materie als Torsion des Äthers aufzufassen. Paul Langevin definiert Materie als bloße Verflüssigung des Äthers, wobei sich diese Stellen der Verflüssigung weiterbewegen und der Äther sich hinter ihnen wieder verfestigt.

Es gab aber auch viele teilweise fantastische Hypothesen über die mechanische Ätherkonstitution, die vor allem von jungen Physikern und frühen Anhängern der Relativitäts- und Quantentheorie belächelt wurden.

Lorentzscher Äther und Spezielle Relativitätstheorie

Hauptartikel: Lorentzsche Äthertheorie

Widersprüchliche Experimente

Beim Interferenzversuch von Michelson und Morley 1887 wurde festgestellt, dass die Geschwindigkeit der Erde (an der Erdoberfläche) relativ zum vermuteten Lichtäther entweder gleich null ist oder der Äther vollständig mitgeführt wird. Vollständige Mitführung würde (wie auch Albert Abraham Michelson meinte) für Stokes’ Theorie sprechen, jedoch stand dieses Ergebnis im krassen Widerspruch zu dem Fizeau-Experiment, welches teilweise Mitführung ergab. Auch die Existenz der Aberration sprach gegen die Theorie von Stokes (siehe oben). Um die Äthertheorie zu retten, stellten vor allem Hendrik Antoon Lorentz, Joseph Larmor und Henri Poincaré neue Hypothesen auf. Diese Bemühungen mündeten schließlich in eine Neuformulierung der Begriffe von Raum und Zeit durch Albert Einstein (1905) und Hermann Minkowski (1908).

Lorentzscher Äther

Die Lorentzsche Äthertheorie, die hauptsächlich zwischen 1892 und 1906 von Lorentz und Poincaré entwickelt wurde, beruhte auf der Weiterentwicklung von Fresnels Äthertheorie, den Maxwell-Gleichungen und der Elektronentheorie von Rudolf Clausiusen. Lorentz führte eine strikte Trennung zwischen Materie (Elektron) und Äther ein, wobei in seinem Modell der Äther völlig unbewegt ist und von bewegten Körpern auch nicht mitgeführt wird. Max Born identifizierte den Lorentz-Äther dann überhaupt mit dem absoluten Raum Isaac Newtons. Der Zustand dieses Äthers kann im Sinne der Maxwell-Lorentzschen Elektrodynamiken durch das elektrische Feld E und das magnetische Feld H beschrieben werden, wobei diese Felder als von den Ladungen der Elektronen verursachte Anregungszustände bzw. Vibration im Äther aufgefasst wurden.

Bei dieser Variante eines elektromagnetischen Äthers wird aber auf eine mechanische Erklärung im Sinne der älteren mechanischen Äthermodelle verzichtet. Im Gegensatz zu Clausius, der annahm, dass die Elektronen durch Fernwirkung aufeinander wirken, tritt als Vermittler zwischen den Elektronen ebendieses elektromagnetische Feld des Äthers auf, in dem sich Wirkungen maximal mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten können. Lorentz konnte mit seiner Theorie beispielsweise den Zeemann-Effekt theoretisch erklären, wofür er 1902 den Nobelpreis erhielt. (Wobei hier noch erwähnt werden muss, dass Joseph Larmor gleichzeitig mit Lorentz eine ähnliche Elektronen- bzw. Äthertheorie entwarf, welche jedoch auf einen mechanischen Äther beruhte.)

In der Lorentzschen Äthertheorie (wie auch in der Theorie von Larmor) wird der Widerspruch zum Michelson-Morley-Experiment über die Einführung von Lorentztransformationen aufgelöst. Dabei werden jedoch die Längenkontraktion und Zeitdilatation als Prozesse verstanden, denen relativ zu einem Äther bewegte Maßstäbe und Uhren unterworfen sind, während Raum und Zeit unverändert bleiben. Damit werden diese Effekte als asymmetrisch betrachtet, das heißt, bewegte Maßstäbe sind tatsächlich kürzer und Uhren gehen tatsächlich langsamer. Ein bewegter Beobachter schätzt ruhende Maßstäbe zwar in identischer Weise als kürzer und ruhende Uhren als langsamer ein, diese Einschätzung wird jedoch als Täuschung interpretiert, da sie der bewegte Beobachter unter Verwendung verfälschter Maßstäbe und Uhren gewinnt. Die Symmetrie der Beobachtungen und damit die offensichtliche Gültigkeit eines phänomenologischen Relativitätsprinzips wird als Folge einer eher zufälligen Symmetrie der zugrunde liegenden dynamischen Prozesse interpretiert. Sie verhindert jedoch die Möglichkeit, die eigene Geschwindigkeit relativ zum Äther zu bestimmen, und macht ihn damit zu einer prinzipiell unzugänglichen Größe in der Theorie.

Spezielle Relativitätstheorie

In der speziellen Relativitätstheorie Einsteins sind Längenkontraktion und Zeitdilatation dagegen eine Folge der Eigenschaften von Raum und Zeit und nicht von materiellen Maßstäben und Uhren. Die Symmetrie dieser Effekte ist eine Folge der Gleichwertigkeit der Beobachter, die als Relativitätsprinzip der Theorie zugrunde liegt. Alle Größen der Theorie sind experimentell zugänglich.

Während einige mit der Elektronentheorie von Lorentz zusammenhängenden Erklärungen (z.B. dass die Materie ausschließlich aus Elektronen besteht oder dass es in der Natur ausschließlich elektrische Wechselwirkungen gibt usw.) eindeutig widerlegt sind, sind viele Aussagen und Ergebnisse der Theorie äquivalent mit Aussagen der SRT. Zuerst Poincaré und dann auch Lorentz lehrten zwar die vollständige mathematische Gleichberechtigung der Bezugssysteme und erkannten auch an, dass tatsächlich unterschiedliche Raum- und Zeitkoordinaten gemessen werden. Sie blieben aber dabei, die Effekte der Lorentztransformation auf dynamische Wechselwirkungen mit dem Äther zurückzuführen, und erwähnten den Äther bis zuletzt in ihren Schriften. Trotz philosophischer Vorwegnahme durch Poincaré blieb die grundlegende Neubewertung von Raum und Zeit im Rahmen einer wissenschaftlichen Theorie Einstein vorbehalten.

Gravitationsäther

Hauptartikel: Mechanische Erklärungen der Gravitation

Ein Gravitationsäther wurde bei dem Versuch benutzt, das Gravitationsgesetz durch Zuhilfenahme grundlegender mechanischer Prozesse wie z.B. Stöße zu erklären, ohne auf das Konzept der Fernwirkung zurückgreifen zu müssen.

Nicolas Fatio de Duillier (1690) und Georges-Louis Le Sage (1748) schlugen mit der Le-Sage-Gravitation ein Korpuskelmodell vor und benutzten dabei einen Abschirmungs- oder Abschattungsmechanismus. Ein ähnliches Modell wurde von Hendrik Antoon Lorentz entwickelt, welcher jedoch elektromagnetische Strahlen statt Korpuskeln verwendete. René Descartes (1644) und Christiaan Huygens (1690) benutzten Ätherwirbel zur Erklärung der Gravitation. Robert Hooke (1671) und James Challis (1869) nahmen an, dass jeder Körper Wellen in alle Richtungen emittiert und diese Wellen die anderen Körper anziehen. Isaac Newton (1675) und Bernhard Riemann (1853) schlugen Ätherströme vor, welche in Richtung der Körper strömen und die anderen Körper mitreißen. Newton (1717) und Leonhard Euler (1760) schlugen ein Modell vor, in welchem der Äther in der Nähe von Körpern an Dichte verliert, was zu einer Anziehungskraft zwischen diesen führt. Lord Kelvin (1871) und C.A. Bjerknes (1871) entwarfen ein Modell, in welchem jeder Körper den umgebenden Äther in Pulsation versetzt, und versuchten damit auch die elektrischen Ladungen zu erklären.

Diese im Zusammenhang mit dem Äther entwickelten Theorien werden jedoch nicht mehr als brauchbare Erklärungen der Gravitation angesehen. Das derzeitige Standardmodell zur Beschreibung der Gravitation ohne Fernwirkung ist die Allgemeine Relativitätstheorie.

Ätherbegriff heute

In der Funkersprache und Nachrichtentechnik schlägt dieses Bild sich 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.

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 978-3-928186-35-3.
Albert Einstein: Äther und Relativitätstheorie. Rede gehalten am 5. Mai 1920 an der Reichs-Universität zu Leiden. Gedruckt: Springer/Berlin 1920

Literatur

Edmund Taylor Whittaker: 2. Auflage: A history of the theories of aether and electricity, Tomash, 1987; vol. 1: The classical theories / vol. 2: The modern theories 1800-1950 (sehr ausführliche Darstellungen)
Kenneth F. Schaffner: Nineteenth-century aether theories, Oxford : Pergamon Press, 1972. (enthält Wiedergabe mehrerer Originalarbeiten berühmter Physiker)
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
Edward Grant. Much Ado About Nothing. Theories of Space and Vacuum from the Middle Ages to the Scientific Revolution, Cambridge u.a., 1981