Zusammenfassung
Um Raum und Zeit messen zu können, benötigen wir ein genaues Verständnis der Lichtgeschwindigkeit. Wir beschreiben die jahrhundertelangen Anstrengungen zu ihrer Bestimmung. Die erforderlichen Messungen bezogen sich auf die Lichtausbreitung auf der Erde und zwischen den Sternen. Maxwell erkannte, dass die Geschwindigkeit des Lichts die der elektromagnetischen Wellen ist. In einer Nebenbetrachtung beschreiben wir den Begriff des Lichtäthers und seine Entwicklung.
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Notes
- 1.
Wie der Buchstabe c zum Symbol der Lichtgeschwindigkeit wurde, wird in dem Artikel von K.S. Mendelson, „The story of c“, (Über die Geschichte von c) Am. J. Phys. 74, 995 (2006) beschrieben. Einige relevante Punkte dieses Artikels: Einstein wechselte drei Jahre nach der Entwicklung der Relativitätstheorie seine Schreibweise von V zu c. Warum c? W. Weber, der in der Zeitperiode vor Maxwell die magnetischen Kräfte interpretierte, benutzte wie viele noch die latinisierte Schreibweise Constante für Konstante. Auch das lateinische Wort für Geschwindigkeit celeritas, beginnt mit c, doch erscheint diese Interpretation explizit erst 1959 in dem Artikel von I. Asimov c for celeritas, publiziert in The Magazine of Fantasy and Science Fiction. Die allgemeine Schreibweise c folgt der Arbeit von M. Abraham aus dem Jahre 1903 „Prinzipien der Dynamik des Elektrons“, Ann. Phys. 10, 105 (1903), verstärkt durch sein einflussreiches Lehrbuch aus dem Jahr 1904: M. Abraham und A. Föppl Theorie der Elektrizität: Einführung in die Maxwellsche Theorie der Elektrizität (Leipzig, Teubner 1904). Wir wollen auch nicht vergessen, dass angesichts der Bildungsnormen der Zeit, Abraham mit Sicherheit die lateinische Sprache kannte. Deshalb war ihm bestimmt bekannt, dass celeritas Geschwindigkeit bedeutet. Man beachte auch, dass Larmor in seinem Buch aus dem Jahr 1900 Æther and Matter, (Äther und Materie) den (kapitalisierten) Buchstaben C benutzte.
- 2.
Tatsächlich wäre \(1\,c\,\mathrm {ns}\,\simeq \, 0{,}9833\,\mathrm {ft}\,\equiv 1\) ‚lns‘ (Licht-Nanosekunde) zufallsbedingt eine recht gute Einheit der Länge sowohl im wissenschaftlichen Bereich als auch im Alltag. Einige lästige Faktoren würden dann aus den Tabellen der SI-Einheiten verschwinden. Beispielsweise würde sich Gl. (2.2) vereinfachen zu \(c=10^9\) lns/s. Es wäre gut vorstellbar, dass ein auf lns aufbauendes Einheitensystem weltweit Akzeptanz fände.
- 3.
James Bradley (1693–1762), Englischer Astronom, Royal Astronomer ab 1742. Bradley wurde 1721 auf den Savilian Lehrstuhl der Astronomie in Oxford berufen und lieferte den ersten direkten Beweis für die Bewegung der Erde um die Sonne sowie eine präzise Messung der Lichtgeschwindigkeit, basierend auf dem neu entdeckten Aberrationseffekt.
- 4.
Samuel Molyneux (1689–1728), Mitglied des britischen Parlaments und Amateurastronom, Fellow der Royal Society. Molyneux beauftragte und bezahlte die Konstruktion von präzisen Teleskopen und engagierte James Bradley.
- 5.
Robert Hooke (1635–1703), Oxford Naturphilosoph und Polymath, Gegner von Newton. Das Hookesche Gesetz ist nach ihm benannt.
- 6.
Todd K. Timberlake, „Seeing Earth’s Orbit in the Stars: Parallax and Aberration“ (Die Bewegung der Erde im Sternenhimmel beobachtet: Parallaxe und Aberration) Phys. Teach. 51, 478 (2013), siehe auch arXiv:1208.2061 [physics.hist-ph].
- 7.
(Armand- Hippolyte-) Louis Fizeau (1819–1896), Französischer Physiker. 1849 veröffentlichte er das Ergebnis der ersten terrestrischen Messung der Lichtgeschwindigkeit. 1850 wurde diese Messung zusammen mit Foucault erheblich verfeinert. 1851 demonstrierte Fizeau die Fresnelsche Lichtmitführung (siehe Übung 7.12).
- 8.
(Jean Bernard) Léon Foucault (1819–1868), Französischer Physiker. 1850 führte Foucault zusammen mit Louis Fizeau eine exakte terrestrische Messung der Lichtgeschwindigkeit durch. Foucault ist für die Vorführung des nach ihm benannten Pendels im Jahr 1851 weltberühmt.
- 9.
Nature (1986) pp 29–32, 13. Mai 1886.
- 10.
F. Everitt, „James Clerk Maxwell: a force for physics (James Clerk Maxwell: eine Kraft für die Physik)“, Physics World 19, 32 (Dezember 2006).
- 11.
J. Clerk Maxwell, „A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field (Eine dynamische Theorie des elektromagnetischen Feldes)“, Phil. Trans. R. Soc. Lond. 155, 459–512 (1 January 1865).
- 12.
Verbatim: light and magnetism are affections of the same substance, and light is an electromagnetic disturbance propagated through the field according to electromagnetic laws.
- 13.
Verbatim: The only use made of light in the experiment was to see the instruments; (siehe in Ref. 11 die Bemerkung auf Seite 499).
- 14.
Heinrich Rudolf Hertz, (1857–1894), Deutscher Physiker, wegen seiner Herkunft von den Nazis verleumdet, bewies die Existenz der elektromagnetischen Wellen und studierte ihre Ausbreitung. Die Einheit ‚Hz‘ der Frequenz ist nach ihm benannt. Er hat die Maxwell-Gleichungen in neuer, uns heute vertrauter Form dargestellt. Daher wurden diese Gleichungen in der Literatur vor 1933 oft als Maxwell-Hertz-Gleichungen bezeichnet. Diese Bezeichnung verwendete auch Einstein in seiner Arbeit zur SR von 1905.
- 15.
E.B. Rosa, and N.E. Dorsey, „The Ratio of the Electromagnetic and Electrostatic Units“, (Zum Verhältnis von elektromagnetischen zu elektrostatischen Einheiten) Bulletin of the Bureau of Standards, 3 (6) 433 (1907) und Phys. Rev. (Series I), 22, 367 (1906).
- 16.
Wilhelm von Ockham (um 1288–1347) Ockhams Skalpell ist ein Prinzip, das auf antike Wurzeln zurückgeht: Jedes Phänomen sollte durch die einfachste mögliche Hypothese erklärt werden.
- 17.
Peter W. Higgs (1929–), Britischer theoretischer Physiker, der innerhalb eines Strukturmodells des Quantenvakuums die Entstehung der Massen von Elementarteilchen beschrieb. Nobelpreis 2013.
- 18.
A. Einstein, Äther und Relativitätstheorie (Verlag Julius Springer, Berlin 1920), eine Rede gehalten am (5. Mai 1920, verschoben auf) 27. Oktober 1920 an der Reichsuniversität zu Leiden, wiedergegeben in The Berlin Years Writings 1918–1921, M. Janssen, R. Schulmann, J. Illy, Ch. Lehner, and D. K. Buchwald, Eds; Seiten 305–309 und S. 321 (Document 38 in Collected Papers of [Gesammelte Werke von] Albert Einstein, Princeton University Press, 2002).
- 19.
Paul Langevin, „L’Évolution de l’espace et du temps“ (Die Evolution von Raum und Zeit) Scientia X 31–54 (1911) (In den Transaktionen der „Conférence au Congrès de Philosophie de Bologna“); auch in Engl. Übersetzung von J.B. Sykes, The Evolution of Space and Time, Scintia, 108 285–300 (1973).
- 20.
Siehe dazu: Bruce J. Hunt, The Maxwellians, (Cornell University Press 1991).
- 21.
Sir Joseph Larmor (1857–1942), ein irischer Physiker, bekannt durch die nach ihm benannte Strahlungsformel und einer der Entdecker der Lorentztransformation, see Ref. 12 im Kap. 1.
- 22.
Das Orginalmanuskript ist heute als Kopie des handschriftlichen Dokuments mit englischer Übersetzung und historischer Einführung erhältlich: A. Einstein and H. Gutfreund, Einstein’s 1912 Manuscript on the Special Theory of Relativity, (Einsteins Manuskript zur Relativitätstheorie aus dem Jahre 1912) ISBN 0807615323 (George Braziller 2004). Der Druck dieses Artikels wurde durch den Ausbruch des Weltkrieges verschleppt. Später verhinderte Einstein die Veröffentlichung, da sich das wissenschaftliche Umfeld durch die Entwicklung der GR völlig verändert hatte. Natürlich ist dieses Umfeld heute noch stärker verändert. Jeder, der sich für die Entwicklung der SR nach 1905 interessiert, sollte aber im Blick haben, dass Einstein 1918 nicht mehr zu seiner Sicht der SR des Jahres 1912 stand.
- 23.
Vom Autor nach der folgenden französischen Vorlage übersetzt, siehe, Seite 47 Scientia X (1911):
...une translation uniforme dans l’éther n’a pas de sens expérimental. Mais il ne faut pas conclure pour cela, comme on l’a fait parfois prématurément, que la notion d’éther doit être abandonnée, que l’éther est inexistant, inaccessible à l’expérience. Seule une vitesse uniforme par rapport à lui ne peut être décelée, mais tout changement de vitesse, toute accélération a un sens absolu.
- 24.
Französisches Original S. 49, zweiter Absatz Scientia X (1911)
On peut dire encore qu’il suffit de s’agiter, de subir des accélérations pour vieillir moins vites.
- 25.
Siehe S. 2 und S. 189a3 in Einstein and the Æther, L. Kostro, Apeiron, Montreal (2000).
- 26.
Victor Weisskopf (1908–2002), Gebürtiger Österreicher und amerkanischer theoretischer Physiker war 1961–66 Direktor des CERN. Als Student von Max Born erhielt er seine Doktorwürde im Alter von 23 Jahren und war später Mitarbeiter von Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger, Wolfgang Pauli und Niels Bohr.
- 27.
V. Weisskopf, „Über die Elektrodynamik des Vakuums aufgrund der Quantentheorie des Elektrons“ Kongelige Danske Videnskabernes Selskab, Matematisk-fysiske meddelelser XIV No 6 (1936).
- 28.
Siehe z. B. J. Rafelski, Melting hadrons, boiling quarks, (Schmelzende Hadronen, kochende Quarks) Eur. Phys. J. A 51 114 (2015).
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Rafelski, J. (2019). Das Licht und der Äther. In: Spezielle Relativitätstheorie heute. Springer Spektrum, Berlin, Heidelberg. https://doi.org/10.1007/978-3-662-59420-9_2
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