Wolfgang Korsus Dipl.-Ing. NT, Astrophysiker
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Ich komme gern auf meinen letzten Satz des vergangenen Kapitels zurück.
Ein Christian Ørsted in Kopenhagen stellte fest Elektrizität und Magnetismus treten zusammen auf.
Ja, dazu läßt sich sagen, gewisse Materialien erlauben einen „Stromfluss“ exakt zwischen „plus“ und „minus“ ; also zwei entgegengesetzten Ladungen !
Das heißt, wir können einen Stromkreis aufbauen. Auch hatte Ørsted bemerkt, dass sich Magneten senkrecht zur Stromrichtung ausrichteten, so als ob der Strom magnetische Kraftlinien um seine Flussrichtung erzeugt hätte. Weiter gehts, es war weiterhin möglich sich endlose magnetische Kraftlinien vorzustellen, -geschlossene- , um die Stromrichtung gewickelte Kreise. Eine weitere Erklärung folgte daraus, nämlich das das Zerschneiden eines Magneten zwei neue ergab und nicht zu einem isolierten Pol führen kann.
Das heißt im Endeffekt nichts anderes als das elektrische und magnetische Kräfte in der Tat eng miteinander verwandt sind. Die Elektrischen Ströme erzeugen Magnetfelder, und bewegte Magneten induzieren ihrerseits elektrische Ströme.
Damit ist auf eine einheitliche Theorie des Elektromagnetismus hingedeutet, die mit den sehr berühmten Gleichungen des schottischen Physikers James Clerk Maxwell Bestätigung finden. Es wird dort die Vereinigung der Theorie von Elektrizität und Magnetismus bestätig. Ebenfalls zeigte Maxwell auch, das eine Fernwirkung von elektromagnetischen Ladungen möglich wird. Ein veränderliches elektrisches Feld erzeugte also ein magnetisches Feld; genauso induzierte ein veränderliches Magnetfeld ein elektrisches. Die Kombination beider, elektromagnetische Felder , erhielten mithin eine einwandfreie unabhängige Existenz, ohne die Notwendigkeit von Strömen oder Magneten.
Fortlaufende Wellen bilden eine recht einfache Lösung der Maxwell’schen Gleichungen, ähnlich oder vergleichbar wie die Schwingung einer Saite oder eine Welle auf einem See. Die gesuchte Fernwirkung bestand mithin aus elektromagnetischen Signalen, die sich wie Wellen fortpflanzten. Sie durchqueren den Raum mit konstanter Geschwindigkeit, die man messen konnte – und somit fand man die bekannte Lichtgeschwindigkeit.
Aber Hallo, die Grundfrage «Was ist Licht?» war somit beantwortet: Licht ist einfach eine sich durch den Raum ausbreitende elektromagnetische Welle, und die verschiedenen Farben entsprechen dementsprechend den verschiedenen Wellenlängen.
Betrachten wir mehr als den sichtbaren Bereich, s kennen wir heute in beiden Richtungen elektromagnetische Strahlung: Radiowellen einmal längerer Wellenlänge als die von Infrarotstrahlung und die Röntgenstrahlen kürzerer Wellenlänge als ultraviolette Strahlung bekannt. Durch den Austausch solcher Wellen können auch entfernte elektrische Ladungen miteinander fernwirken .
Geht man heute an das Thema „Elektromagnetismus“ näher heran, so stellt man fest, er bestimmt eigentlich unser ganzes Leben und seine Formen sind kaum noch überschaubar.
Vergessen Sie lieber Leser bitte nicht sich mal an die Zeiten von Faraday und Maxwell zu erinnern, das Thema war damals reine Grundlagenforschung. Mancher sagte, reine Spinnerei einiger weniger Gelehrter. Von der Öffentlichkeit also kaum beachtet.
Wie fast jede wissenschaftliche Geschichte hatten auch diese Vorstellungen von Faraday und Maxwell einen zu beachtenden Haken.
Gehen wir jetzt behutsam und bitte nicht voreilig an das Thema „Wellen“ heran. Gesagt wurde : …ferne Ladungen verständigen sich durch Wellen – was also wird da angeregt, um solche Wellen zu erzeugen? Betrachten wir mal unseren Alltag. Dort sind es z.B. Geigensaiten oder eine Wasseroberfläche oder die Dichte der Luft. Aber es bleibt halt die Frage bestehen, was vibriert im leeren Raum?
Es gab jetzt einige Herren der Wissenschaft die brachten also den Äther in die Welt der Physik, es sollte ein unsichtbares Medium sein, das aber den gesamten angeblich leeren Raum füllt. Das hörte sich selbstverständlich sehr beruhigend für all jene an, die einen vollkommen leeren Raum sowieso für unnatürlich hielten. Ich erwähne jetzt mal kurz den französischen Philosophen Blaise Pascal, der meinte sogar „der Natur ist der leere Raum zuwider“ – seltsame Äußerung ! Auch der Evangelista Torricelli in Italien, dem es gelungen war, alle Luft aus einem Behälter zu entfernen, erntete eine müde Äußerung von Pascal, der nur gemeinte, dass die Abwesenheit von Luft nicht gleichbedeutend sei mit leer. Bleiben wir beim Äther……denn den hatte Robert Hooke 1665 als das „Medium für das Licht“ eingeführt; er hatte sich einen Lichtpuls wie einen ins Wasser geworfenen Stein vorgestellt, dieser breitete sich mit konzentrischen Wellen aus.
Noch ein bekanntes Beispiel aus unserer heutigen Welt das ebenfalls wissenschaftlich anstößt an die erforschte Wirklichkeit : also nicht richtig……
eine Tsunamiwelle, erzeugt durch ein Seebeben tief unter dem Meeresspiegel und sich dann bis zu fernen Ufern ausbreitet, so erreicht eine elektromagnetische Zustandsänderung fernste Empfänger durch eine elektromagnetische Tsunamiwelle im Äthermeer. Seltsames Beispiel !
Lösen wir also den Äther mal ab und sagen deutlich: Äther entpuppte sich als eine Sackgasse in der Physik. Selbst Hooke bis Einstein haben wie viele bekannte Physiker damit ihr Glück versucht, aber stets mit recht begrenztem Erfolg.
Ich höre einfach nicht auf und stelle die nächste „Ätherfrage“ . Ist der Äther etwas
stationäres, oder wird er sogar von bewegten Sternen mitgezogen?…..weiter, …erzeugt womöglich die Erde auf ihrer Umlaufbahn einen Ätherwind? Besteht Materie vielleicht nur aus Ätherwirbeln? Die Existenz des Äthers ermöglichte Fernwirkung durch Wellen.
Aber der Äther krankte daran, einfach eine Substanz sein zu sollen und doch die Bewegung der Himmelskörper nicht wesentlich zu beeinflussen. Also mußte es zu einem endgültigen Ende des Äthers kommen und das geschah durch eines der berühmtesten Experimente der Physik. Natürlich wurde dies auch von jemandem ausgeführt. So in den Jahren um 1880 von den amerikanischen Physikern Albert Michelson und Edward Morley .
Sie hatten vor die Existenz des unsichtbaren Mediums nachzuweisen.
Wenn also das Licht sich überall durch den Äther mit konstanter Geschwindigkeit ausbreitet, dann folgt daraus: müsste es in Richtung der Erdbewegung langsamer sein als senkrecht dazu und zusätzlich sei bemerkt…Je schneller sich die Erde dreht, desto langsamer würde ein der Bewegung folgender Lichtstrahl sein.
Diese Beiden, Michelson und Morley konstruierten ein Interferometer, in dem ein Lichtstrahl zweigeteilt wird; danach müssen beide Teilstrahlen die gleiche Strecke zurücklegen, einer entlang der Erdbewegung, der andere senkrecht dazu. Dies sollte mit einer geeigneten Spiegelanordnung gemacht werden, denn diese treffen dann zum Schluss an einem bestimmten Punkt wieder zusammen. Ich stelle es für diese Anordnung in folgenden Bild schematisch dar.
Was ist dort geschehen und was hat sich damit eindeutig gezeigt.
Der, quasi irgend ein Lichtstrahl wird auf einen teilweise durchlässigen Spiegel M gerichtet. Ein Teil wird zum Spiegel 1 reflektiert und geht von dort zum Nachweisgerät, der andere zum Spiegel 2 und dann zum Nachweisgerät. Wesentlich zu beachten ist, die Richtung Spiegel 1 zum Nachweisgerät ist Süd-Nord gewählt, die von der Lichtquelle zum Spiegel 2 West-Ost. Ohne Zweifel steht fest, Spiegel 1 und 2 sind vom Mittelspiegel M gleich weit entfernt.
Jetzt erwartete man, daß die Erddrehung den auf Spiegel 2 gerichteten Strahl verlangsamt. Daraus folgend würden die beiden Strahlen am Nachweisgerät mit ungleichen Phasen eintreffen – das Wellental beim einen trifft auf den Wellenberg des anderen. So also muss ein nachweisbares Interferenzbild erzeugt werden……
…..aber denkste das erhaltene Ergebnis war für die beiden Physiker außerordentlich enttäuschend: Sie konnten sich drehen und wenden sie fanden keinerlei Effekt, die Wellen kamen immer phasengleich an. Es war völlig egal, wie sie ihre Apparatur drehten, die Lichtgeschwindigkeit schien immer gleich zu bleiben….nein nicht schien, sie blieb immer gleich. Es gab keinen Hinweis auf irgendeine Form von Äther. Der Äther sollte damit begraben werden !
Es blieb nicht aus, dass trotz einer Phase langwieriger Auswegsuche, an der viele Physiker beteiligt waren, endgültig Albert Einstein dann zwanzig Jahre später ein Machtwort sprach und die Idee des Äthers aus der Physik verbannte.
Das gilt jedenfalls was Licht und Elektromagnetismus anbelangt; in den Bereichen der Schwerkraft und des expandierenden Universums spuken derartige Vorstellungen auch heute noch herum….äußerst seltsam und dem Thema Science Fiction zuzuordnen.
Kehren wir nochmal zurück zu Maxwells Gleichungen, aus ihnen folgt dass sich Licht mit konstanter Geschwindigkeit durch den Raum ausbreitet – und das mit einer universellen Lichtgeschwindigkeit. Eine Feststellung die sehr viel weitreichender ist als sie uns zunächst erscheint: wir sagen gern ein solches Verhalten befindet sich einfach nicht im Einklang mit unserer Erfahrungswelt. Schauen wir mal auf dieses Beispiel :
Ein mit 100 km/h fahrendes Auto bewegt sich nur mit 70 km/h fort für die Person die mit 30 km/h in der gleichen Richtung fährt. Weiter mit dieser Aussage, zwei mit 100 km/h nebeneinander in der gleichen Richtung fahrende Autos bewegen sich relativ zueinander überhaupt nicht ! Und noch etwas zum Denken und wirken lassen, lass mal in einem fahrenden Zug eine Münze fallen, sie fällt gerade zu Boden; Zug, Reisender und Münze ruhen relativ zueinander, aber für einen am Bahnsteig stehenden Beobachter bewegt sich der Zug mit hoher Geschwindigkeit.
Weiter denkend sage ich : „Licht ist ganz anders“
Dort messen alle Beobachter, unabhängig davon, wie sie sich relativ zueinander bewegen, immer die gleiche Lichtgeschwindigkeit. Egal wie schnell sich jemand fortbewegt, er misst immer diese bestimmten 300.000 km/s; daraus schließe ich, vor einem Lichtstrahl können wir weder fortlaufen noch ihn einholen.
Erwähnen muß ich jetzt, in der Welt von Newtons Gesetzen ist so etwas nicht möglich. Denn in einer festen Welt mit einer einheitlichen Zeit muss sich die Lichtgeschwindigkeit ändern für Beobachter die in relativer Bewegung zueinander sind. Um also eine konstante Lichtgeschwindigkeit zu ermöglichen, müssen wir unsere Vorstellung von Raum und Zeit grundlegend geändert. Die Maßeinheiten von Länge und Zeit müssen vom Beobachter selbst abhängen. Denn wenn ich hier auf Erden die Lichtgeschwindigkeit messe, und ein mit hoher Geschwindigkeit durch den Weltraum fliegender Astronaut tut dasselbe und findet den gleichen Wert, dann müssen seine Maßeinheiten, sein Meter und seine Minute, anders sein als meine hier – und tatsächlich, das ist auch der Fall.
Es wurde damit ein echter Umbruch der Physik eingeleitet, es war Albert Einsteins Relativitätstheorie, spezieller erwähnt, seine spezielle Relativitätstheorie. Keine Angst, dieser Zusatz speziell soll andeuten, dass sie nur in räumlich beschränkten Bereichen des Universums gilt. Zusätzlich und einschließend folgt eine wichtige Erweiterung auf den gesamten Kosmos, selbstverständlich unter Einschluss der Schwerkraft, es ist die allgemeineRelativitätstheorie – ich füge hinzu, auch diese ein Resultat Einstein’scher Vorstellungskraft….Meine Hochachtung…
Einstein stellte für die spezielle Relativitätstheorie eine gedankliche Beziehungen zwischen der gerade nachgewiesenen universellen Lichtgeschwindigkeit mit einem vierhundert Jahre früher aufgestellten Äquivalenzprinzip her. Es stammte von Galileo, er hatte gefordert, dass die Gesetze der Physik immer die gleichen bleiben müssen für alle Beobachter, die sich gleichförmig relativ zueinander bewegen.
Drücken wir das mal verständlicher aus, wenn ich demnach messe, wie lange ein Stein braucht. um einen Meter zu fallen, einmal in meinem Labor und ein anderes Mal in einem Schnellzug, dann müssen die beiden Ergebnisse übereinstimmen. Ihm, also Einstein war klar: Es handelt sich hier um eine Äquivalenz und um diese zu bewahren und gleichzeitig dieselbe universelle Lichtgeschwindigkeit für alle relativ zueinander bewegten Beobachter zu erhalten, mussten die Vorstellungen, also unsere, von Raum und Zeit abgeändert werden. Raum und Zeit müssten eigentlich verbunden werden, und die Maßstäbe müssten von der Geschwindigkeit des Beobachters abhängen. Zurück zu Newton, in seiner Welt gab es eine einheitliche Zeit, sie war überall gleich, und man konnte sich vorstellen, dass zwei Ereignisse gleichzeitig stattfanden.
In der relativistischen Welt ist eine Synchronisation über große Entfernungen aber nicht möglich, und was dort für einen Beobachter früher ist, kann für einen anderen später sein. …Einfach, nicht zu glauben…
Die Relativitätstheorie sagte noch mehr aus was sehr bedeutend war, nämlich kein Körper kann je Lichtgeschwindigkeit erreichen. Wieder gehe ich zu Newton und sein Kraftgesetz sagt : ein Anstieg an Kraft führt zu einem Anstieg an Beschleunigung. Weiter würde man darauf schließen, dass man jede Masse auf beliebig hohe Geschwindigkeit bringen kann, also schneller als die Lichtgeschwindigkeit. Aber jetzt meldet sich erneut Einstein und hat gezeigt, dass Newtons Gesetz verändert wird, wenn die Geschwindigkeit der Masse in die Nähe der Lichtgeschwindigkeit kommt. Sage und schreibe führt nur noch ein Teil der Kraft zu Beschleunigung; ein immer größer werdender Teil erzeugt ein Ansteigen der Masse, des Inertialverhaltens des Körpers. Also in unserer normalen Welt liegen alle Geschwindigkeiten so weit unter der Lichtgeschwindigkeit, dass wir solche relativistischen Effekte getrost vernachlässigen und daher von einer geschwindigkeitsunabhängigen Inertialmasse ausgehen können.
Aufgepasst und Achtung……in Hochenergiebeschleunigern, wie etwa dem Large Hadron Collider am Europäischen Zentrum für Teilchenphysik CERN in Genf, in denen Protonen auf etwa 95 % der Lichtgeschwindigkeit gebracht werden, beträgt deren effektive Masse dann mehr als das Dreifache ihrer Ruhmasse. Aus diesem Ergebnis wird klar, dass wir einen massebehafteten Körper niemals auf Lichtgeschwindigkeit bringen können – das würde eine wirklich unendliche Kraft erfordern. Des Weiteren muß gesagt werden, nichts und niemand kann je einen Lichtstrahl im leeren Raum einholen – das Licht bleibt das schnellste Signal im Universum. So ist es und das gilt ohne Widerspruch.
Wir wissen jetzt, dass das Licht der Sterne, das wir heute sehen, schon viele Jahre unterwegs war, elektromagnetische Strahlung in einem leeren Raum, ohne jeden Äther, die sich mit 300.000 km/s ausbreitet, egal, wer sie misst. Das führt dazu ich kann zu der Anfangsfrage und zu meiner Ausgangsfrage zurückkehren:
Warum ist der Himmel nachts dunkel ?