A.3 Michelson-Morley-Experiment

Das Michelson-Morley-Experiment wurde von Albert A. Michelson und Edward W. Morley um 1890 entwickelt und durchgeführt. Ziel des Experiments ist es die Bewegung der Erde relativ zum Ausbreitungsmedium des Lichts (Äther) zu messen (den sogenannten Ätherwind).

A.3.1 Idee

Je nachdem, wie wir uns mit der Erde zum Ausbreitungsmedium des Lichts bewegen, sollte sich die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Licht verändern. Da Licht aber eine so große Geschwindigkeit hat, ist es sehr schwierig eine kleine Abweichung davon direkt festzustellen. Deshalb verwendet das Michelson-Morley-Experiment einen Trick um noch so kleine Abweichungen festzustellen. Dabei wird ein Lichtstrahl in zwei Teilstrahlen aufgeteilt, die sich in unterschiedliche Richtungen bewegen. Wenn die Teilstrahlen danach durch Spiegel wieder vereint werden, kann bei einer Laufzeitdifferenz Interferenz festgestellt werden. Damit das funktioniert, muss die Lichtquelle monochromatisches (Licht einer Wellenlänge), kohärentes (alle Lichtwellen befinden sich zu Beginn in gleicher Phase) Licht aussenden.

A.3.2 Aufbau

Aufbau Michelson-Morley-Experiment image source

Bild A.4: Aufbau Michelson-Morley-Experiment

Zunächst bewegt sich der Lichtstrahl von der Lichtquelle auf einen halbdurchlässigen Spiegel zu. Dort teilt sich der Strahl in zwei Teilstrahlen (blau und rot) die sich in unterschiedliche Richtungen im Raum ausbreiten. Durch zwei Spiegel werden die Lichtstrahlen reflektiert und beim halbdurchlässigen Spiegel wieder vereint. Bei gleich langen Teilstrecken und unterschiedlichen Lichtlaufzeiten der beiden Teilstrahlen ergibt sich eine Phasenverschiebung (Bild A.4). Diese Phasenverschiebung kann als Interferenz im Detektor gemessen werden.

A.3.3 Ergebnis

Obwohl das Michelson-Morley-Experiment wiederholt an verschiedenen Orten auf der Erde durchgeführt wurde, konnte nie eine Phasenverschiebung festgestellt werden. Um eine zufällige Phasenverschiebung um ein ganzzahliges Vielfaches der Lichtwellenlänge auszuschließen, wurde das Experiment auch gedreht. Alle dieser Experimente haben gezeigt: Licht breitet sich in alle Richtungen immer mit der gleichen Geschwindigkeit aus. Heute wissen wir: Im Gegensatz zu einer mechanischen Welle gibt es kein Ausbreitungsmedium für Licht.

A.3.4 Historische Bedeutung

Zum einen ist es das bekannteste Experiment mit negativen Ausgang, da es keinen Unterschied in den Lichtlaufzeiten gefunden hat.

Aber auch ein negatives Resultat bei einem Experiment liefert neue Erkenntnisse. So gilt das Ergebnis des Michelson-Morley-Experiments als der Ausgangspunkt für die Relativitätstheorie von Albert Einstein.

Der geniale Trick, mit Hilfe von Interferenz kleinste Laufzeitunterschiede von Licht zu messen, wird bis zum heutigen Tag, zum Beispiel bei dem Nachweis von Gravitationswellen, verwendet.