Kaufmann-Bucherer-Neumann-Experimente

Experiment von Bucherer

Die Kaufmann-Bucherer-Neumann-Experimente (1901-1915) überprüften die Abhängigkeit der trägen Masse von Elektronen von ihrerer Geschwindigkeit. In der Frühzeit der Entwicklung der speziellen Relativitätstheorie hatten diese Experimente eine große Bedeutung für die Anerkennung dieser damals neuen Theorie. Die Ergebnisse dieser Experimente waren lange Zeit umstritten, und konnten erst Jahrzehnte nach ihrer erstmaligen Durchführung im Sinne der speziellen Relativitätstheorie vollständig verifiziert werden (vgl. Tests der speziellen Relativitätstheorie).

Vorgeschichte

Henri Becquerel entdeckte 1896 den radioaktiven Zerfall einer Vielzahl von chemischen Elementen. Danach wurde die dabei entstehende Betastrahlung entdeckt, welche als Emission von negativ geladenen Teilchen interpretiert wurde. Später wurden diese Teilchen mit dem Elektron identifiziert, das 1897 durch Joseph John Thomsons Experimente an Kathodenstrahlen nachgewiesen wurde.

Damit verbunden war die theoretische Herleitung der sogenannten elektromagnetischen Masse durch J.J. Thomson (1881). Demnach vergrößert elektromagnetische Energie die Masse eines Körpers scheinbar. Thomson (1893) und George Frederick Charles Searle (1897) berechneten auch, dass diese elektromagnetische Masse von der Geschwindigkeit abhängt, und unendlich groß wird wenn eine elektrische Ladung sich mit Lichtgeschwindigkeit relativ zum Äther bewegt. Auch Hendrik Antoon Lorentz (1899, 1900) konnte eine solche Geschwindigkeitsabhängigkeit als eine Konsequenz seiner Elektronentheorie herleiten. Zu diesem Zeitpunkt wurde die elektromagnetische Masse als „scheinbare Masse“, und die unveränderliche newtonsche Masse als „wahre Masse“ bezeichnet.^{[A 1][A 2] [1] [2] [3]}

Die Experimente von Kaufmann

Erste Experimente

Walter Kaufmann begann seine Experimente mit Kathodenstrahlen, wobei der Zerfall von Radium in einer evakuierten Röhre als Elektronenquelle diente. Durch Anwendung von elektrischen und magnetischen Feldern wurde das Verhältnis von Masse und Ladung der Teilchen gemessen. Da die Elektronenladung unabhängig von Geschwindigkeitsänderungen war, musste eine Änderung dieses Verhältnisses das Resultat einer Änderung der trägen Masse sein. Kaufmann veröffentlichte seine ersten Ergebnisse 1901, und konnte tatsächlich eine Änderung des Masse-Ladung-Verhältnisses, und somit die Geschwindigkeitsabhängigkeit der Masse feststellen - d. h. die Masse erhöhte sich mit größerer Geschwindigkeit. Basierend auf Searles Formel unterteilte er die Gesamtmasse der Elektronen als überwiegend zur „wahren mechanischen Masse“ gehörig, ein kleinerer Teil gehörte zur „scheinbaren elektromagnetischen Masse“. Kaufmann führte 1902 weitere Experimente mit größerer Präzision durch.^{[A 3][A 4][4] [5] [6] [7]}

Konkurrierende Theorien

1902 veröffentlichte Max Abraham eine Theorie, in welcher das Elektron eine starre Kugel war, wobei ihre Ladung gleichmäßig auf ihrer Oberfläche verteilt ist. Er konnte zeigen, dass die früheren Berechnungen Searles unvollständig waren, da diese bloß die elektromagnetische Energie und Masse in Bewegungsrichtung der Teilchen angaben – die „longitudinale elektromagnetische Masse“. Doch nach Abraham wich der Ausdruck für die Masse senkrecht zur Bewegungsrichtung (ausschließlich diese war von Kaufmann gemessen worden) davon ab, und deswegen führte er die sogenannte „transversale elektromagnetische Masse“ ein. Darauf aufbauend konnte er zeigen, dass die Kaufmannschen Ergebnisse vollständig mit dieser Masse erklärt werden können. Das bedeutet, die gesamte Masse wäre nach dieser Theorie elektromagnetischen Ursprungs, während eine mechanische Masse überhaupt nicht mehr existiert.^{[A 5][A 6][8] [9] [10]}

Auch Lorentz (1899, 1904) erweiterte seine Elektronentheorie durch Einführung der Lorentz-Transformation, wobei sich ergab, dass die Elektronen in Bewegungsrichtung einer Verkürzung, der sogenannten Längenkontraktion, unterworfen sind. Dies führte zu Termen für die elektromagnetische Masse, welche von denen von Abraham abwichen. Trotzdem konnte Lorentz zeigen, dass sie mit den Kaufmannschen Ergebnisse ebenso gut übereinstimmten wie jene von Abraham. 1905 konnte Henri Poincaré die Theorie von Lorentz weiter entwickeln, sodass sie von nun an mit dem Relativitätsprinzip, d. h. mit der Unmöglichkeit einer Bestimmung einer absoluten, inertialen Bewegung, vollständig übereinstimmte.^{[A 7][A 8][11] [12]}

Eine andere Theorie wurde 1904 von Alfred Bucherer und Paul Langevin entwickelt. Sie unterscheidet von der Lorentzschen dadurch, dass zusammen mit der Kontraktion in Bewegungsrichtung eine Dehnung senkrecht dazu auftritt, wodurch das Volumen konstant bleibt.^{[A 9] [13]}

Schließlich entwickelte Albert Einstein 1905 die bis heute gültige spezielle Relativitätstheorie, welche eine Änderung der Masse aufgrund der Lorentz-Transformation zwischen relativ zueinander bewegten Inertialsystemen beinhaltete. Trotz völlig verschiedener Voraussetzungen entsprechen die Vorhersagen dieser Theorie jenen von Lorentz.^{[A 10][14]}

Experimente von 1905

Um eine Entscheidung zwischen diesen Theorien herbeizuführen, führte Kaufmann seine Experimente abermals mit größerer Präzision durch. Bezüglich der Massenzunahme ergaben sich folgende Voraussagen der jeweiligen Theorie:

$\begin{array}{ll} \mathrm{Abraham} & \phi(\beta)=\frac{3}{4}\frac{1}{\beta^{2}}\cdot\left(\frac{1+\beta^{2}}{2\beta}\cdot\lg\frac{1+\beta}{1-\beta}-1\right)\\ \\\mathrm{Lorentz-Einstein} & \phi(\beta)=(1-\beta^{2})^{-\frac{1}{2}}\\ \\\mathrm{Bucherer-Langevin} & \phi(\beta)=(1-\beta^{2})^{-\frac{1}{3}}\end{array}$

Aus dem Vergleich dieser Formeln mit seinen Ergebnissen schloss Kaufmann, dass er die Lorentz-Einstein-Formel, und somit das Relativitätsprinzip, klar widerlegt hätte. Deshalb seien die einzig verbliebenen Theorien jene von Abraham und Bucherer, welche annähernd gleich gut mit den Ergebnissen übereinstimmten. Lorentz war ratlos und schrieb in einem Brief: „ich bin am Ende meines Lateins“.^{[A 11][A 12][15] [16]}

Bereits kurz nachdem Kaufmann seine Ergebnisse und Schlüsse veröffentlicht hatte, wurden diese jedoch durch Max Planck einer neuen Analyse unterworfen. In zwei 1906 und 1907 veröffentlichten Arbeiten zeigte er, dass Kaufmanns Ergebnisse nicht vollständig schlüssig seien (so führten sie bei weiterer Extrapolation der Kurven zur Möglichkeit von Überlichtgeschwindigkeiten), sie stellten somit keine endgültige Entscheidung dar. Auch Adolf Bestelmeyer (1906) kritisierte einige technische Aspekte des Experiments. Und Einstein gab 1907 zwar zu, dass Kaufmanns Resultate besser zu den Theorien von Abraham und Bucherer passen würden als zu seiner eigenen, jedoch seien die Grundlagen dieser Theorien nicht plausibel und weitgehend genug, sodass sie eine geringe Wahrscheinlichkeit hätten, sich als richtig zu erwiesen.^{[A 13][A 14][17][18][19]}

Weitere Experimente

Die Experimente von Bucherer

1908 führte Alfred Bucherer neue Experimente unter Benutzung eines Geschwindigkeitsfilters durch. Im Gegensatz zu Kaufmann konnte er feststellen, dass die Ergebnisse das Relativitätsprinzip und somit die Relativitätstheorie bzw. die „Lorentz-Einstein-Theorie“ bestätigt hätten. Bucherers Ergebnisse wurden mit Erleichterung und Zufriedenheit von Lorentz, Einstein, und Hermann Minkowski aufgenommen. Jedoch gab es, vor allem durch Bestelmeyer, auch hier Einwände in Bezug auf die technische Durchführung, welche zu einem polemischen Disput zwischen Bucherer und ihm in mehreren Publikationen führte. Obwohl also die Mehrheit der Physiker Bucherers Ergebnisse akzeptierten, blieben Zweifel bestehen.^{[A 15][A 16][20] [21] [22] [23] [24] [25]}

Weitere Entwicklung

Unter Benutzung ähnlicher Techniken, jedoch mit verbesserter Ausstattung und Analyse, führten andere Forscher weitere Experimente durch. Dazu gehörten Hupka (1910)^{[26] [27] [28] [29]}, Neumann (1914)^[30], Charles-Eugène Guye und Lavanchy (1915)^[31].^{[A 17][A 18][A 19]} Alle diese Experimente (vor allem jene von Neumann) wurden als schlüssige Bestätigungen der Lorentz-Einstein-Formel aufgefasst, sodass Lorentz 1915 schreiben konnte:^{[A 20]}

Spätere Experimente [..] haben die Formel [..] für die transversale elektromagnetische Masse bestätigt, sodass aller Wahrscheinlichkeit nach, der einzige Einwand der gegen die Hypothese des deformierbaren Elektrons und des Relativitätsprinzips gemacht werden konnte, nun beseitigt ist.

Jahrzehnte später konnten allerdings Zahn und Spees (1938) zeigen, dass viele Annahmen bezüglich der Natur der Elektronen bzw. den Eigenschaften der Experimentalanordnung, welche von den damaligen Experimentatoren gemacht wurden, falsch sind. Die Kaufmann-Bucherer-Neumann-Experimente hätten lediglich eine qualitative Zunahme der Energie bzw. Masse gezeigt, die keineswegs genau genug waren, um zwischen den konkurrierenden Theorien zu entscheiden.^{[A 21][A 22][32]} Schließlich führten Rogers et. al. (1940) mit verbesserter Ausstattung ähnliche Experimente durch und konnten schließlich eine genaue Übereinstimmung mit der Lorentz-Einstein-Formel finden.^[33]

Während diese Experimente lange Zeit umstritten waren, lieferten die Studien über die Feinstruktur der Wasserstofflinien bereits 1917 eine klare Bestätigung der Lorentz-Einstein-Formel, und eine Widerlegung aller Konkurrenztheorien. Heute ist die genaue Bestätigung dieser Formel und somit der speziellen Relativitätstheorie in Teilchenbeschleunigern bereits Routine.^{[A 23]}

Siehe auch

• Geschichte der speziellen Relativitätstheorie

Literatur

• Janssen, Michel & Mecklenburg, Matthew: V. F. Hendricks, et al. (Hrsg.): Interactions: Mathematics, Physics and Philosophy, S. 65–134, Dordrecht: Springer 2007

• Lorentz, Hendrik Antoon: The theory of electrons and its applications to the phenomena of light and radiant heat. Leipzig & Berlin: B.G. Teubner 1916

• Miller, Arthur I.: Albert Einstein's special theory of relativity. Emergence (1905) and early interpretation (1905–1911). Reading: Addison–Wesley 1981, ISBN 0-201-04679-2

• Pais, Abraham: „Raffiniert ist der Herrgott …“: Albert Einstein, eine wissenschaftliche Biographie. Heidelberg: Spektrum 1982/2000, ISBN 3827405297

• Pauli, Wolfgang: Die Relativitätstheorie, 5, S. 539–776 1921

• Staley, Richard: Einstein's generation. Chicago: University Press 2008, ISBN 0226770575

Sekundärquellen

1. ↑ Miller (1981), pp. 45-47
2. ↑ Pais (1982), pp. 155-159
3. ↑ Miller (1981), pp. 47-54
4. ↑ Staley (2009), pp. 223-233
5. ↑ Miller (1981), pp. 55-67
6. ↑ Staley (1982), pp. 229-233
7. ↑ Miller (1981), pp. 55-67
8. ↑ Janssen (2005), pp. 16-25
9. ↑ Janssen (2005), pp. 16-25
10. ↑ Staley (2009), pp. 241-242
11. ↑ Miller (1981), pp. 228-232
12. ↑ Staley (2009), pp. 242-244
13. ↑ Miller (1981), pp. 232-235
14. ↑ Staley (2009), pp. 244-250
15. ↑ Miller (1981), pp. 345-350
16. ↑ Staley (2009), pp. 250-254
17. ↑ Pauli (1921), p. 636
18. ↑ Miller (1981), pp. 350-351
19. ↑ Staley (2009), pp. 254-257
20. ↑ Lorentz (1915), p. 339. "Later experiments [..] have confirmed the formula [..] for the transverse electromagnetic mass, so that, in all probability, the only objection that could be raised against the hypothesis of the deformable electron and the principle of relativity has now been removed.'
21. ↑ Miller (1981), pp. 351-352
22. ↑ Janssen (2005), pp. 41-43, 57
23. ↑ Pauli (1921), pp. 636-637

Primärquellen

1. ↑ Thomson, J. J.: On the Effects produced by the Motion of Electrified Bodies. In: Philosophical Magazine. 11, Nr. 68, 1881, S. 229–249.
2. ↑ Searle, G.F.C: On the Steady Motion of an Electrified Ellipsoid. In: Philosophical Magazine. 44, Nr. 269, 1897, S. 329–341.
3. ↑ Lorentz, H.A.: Über die scheinbare Masse der Ionen. In: Physikalische Zeitschrift. 2, Nr. 5, 1900, S. 78-80.
4. ↑ Kaufmann, W.: Die magnetische und elektrische Ablenkbarkeit der Bequerelstrahlen und die scheinbare Masse der Elektronen. In: Göttinger Nachrichten. Nr. 2, 1901, S. 143–168.
5. ↑ Kaufmann, W.: Über die elektromagnetische Masse des Elektrons. In: Göttinger Nachrichten. Nr. 5, 1902, S. 291–296.
6. ↑ Kaufmann, W.: Die elektromagnetische Masse des Elektrons. In: Physikalische Zeitschrift. 4, Nr. 1b, 1902, S. 54–56.
7. ↑ Kaufmann, W.: Über die "Elektromagnetische Masse" der Elektronen. In: Göttinger Nachrichten. Nr. 3, 1903, S. 90–103.
8. ↑ Abraham, M.: Dynamik des Electrons. In: Göttinger Nachrichten. 1902, S. 20–41.
9. ↑ Abraham, M.: Prinzipien der Dynamik des Elektrons. In: Physikalische Zeitschrift. 4, Nr. 1b, 1902, S. 57–62.
10. ↑ Abraham, M.: Prinzipien der Dynamik des Elektrons. In: Annalen der Physik. 10, 1903, S. 105–179.
11. ↑ Lorentz, Hendrik Antoon: Elektromagnetische Erscheinungen in einem System, das sich mit beliebiger, die des Lichtes nicht erreichender Geschwindigkeit bewegt. In: Blumenthal, Otto & Sommerfeld, Arnold (Hrsg.): Das Relativitätsprinzip. Eine Sammlung von Abhandlungen (1913), S. 6-26 1904
12. ↑ Poincaré, Henri: Sur la dynamique de l’électron. In: Rendiconti del Circolo matematico di Palermo. 21, 1905/6, S. 129–176. Siehe auch deutsche Übersetzung.
13. ↑ A.H. Bucherer, Mathematische Einführung in die Elektronentheorie, Teubner, Leipzig 1904, p. 57
14. ↑ Einstein, Albert: Zur Elektrodynamik bewegter Körper. In: Annalen der Physik. 322, Nr. 10, 1905, S. 891–921. doi:10.1002/andp.19053221004.
15. ↑ Kaufmann, Walter: Über die Konstitution des Elektrons. In: Sitzungsberichte der Königlich Preußische Akademie der Wissenschaften. 45, 1905, S. 949–956.
16. ↑ Kaufmann, Walter: Über die Konstitution des Elektrons. In: Annalen der Physik. 324, Nr. 3, 1906, S. 487–553.
17. ↑ Planck, Max: Die Kaufmannschen Messungen der Ablenkbarkeit der β-Strahlen in ihrer Bedeutung für die Dynamik der Elektronen. In: Physikalische Zeitschrift. 7, 1906, S. 753–761.
18. ↑ M. Planck, Nachtrag zu der Besprechung der Kaufmannschen Ablenkungsmessungen, Verhandlungen der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, 9 (1907)
19. ↑ Einstein, Albert: Über das Relativitätsprinzip und die aus demselben gezogenen Folgerungen. In: Jahrbuch der Radioaktivität und Elektronik. 4, 1908, S. 411–462.
20. ↑ Bucherer, A. H.: Messungen an Becquerelstrahlen. Die experimentelle Bestätigung der Lorentz-Einsteinschen Theorie. In: Physikalische Zeitschrift. 9, Nr. 22, 1908, S. 755–762.
21. ↑ Bucherer, A. H.: Die experimentelle Bestätigung des Relativitätsprinzips. In: Annalen der Physik. 333, Nr. 3, 1909, S. 513–536. doi:10.1002/andp.19093330305.
22. ↑ Bestelmeyer, A. H.: Bemerkungen zu der Abhandlung Hrn. A. H. Bucherers: Die experimentelle Bestätigung des Relativitätsprinzips. In: Annalen der Physik. 335, Nr. 11, 1909, S. 166–174. doi:10.1002/andp.19093351105.
23. ↑ Bucherer, A. H.: Antwort auf die Kritik des Hrn. E. Bestelmeyer bezüglich meiner experimentellen Bestätigung des Relativitätsprinzips. In: Annalen der Physik. 335, Nr. 11, 1909, S. 974-986. doi:10.1002/andp.19093351506.
24. ↑ Bestelmeyer, A. H.: Erwiderung auf die Antwort des Hrn. A. H. Bucherer. In: Annalen der Physik. 337, Nr. 6, 1910, S. 231-235. doi:10.1002/andp.19103370609.
25. ↑ Bucherer, A. H.: Erwiderung auf die Bemerkungen des Hrn. A. Bestelmeyer. In: Annalen der Physik. 338, Nr. 14, 1910, S. 853-856. doi:10.1002/andp.19103381414.
26. ↑ Hupka, E.: Beitrag zur Kenntnis der trägen Masse bewegter Elektronen. In: Annalen der Physik. 336, Nr. 1, 1910, S. 169-204. doi:10.1002/andp.19093360109.
27. ↑ Heil, W.: Diskussion der Versuche über die träge Masse bewegter Elektronen. In: Annalen der Physik. 336, Nr. 3, 1910, S. 519-546. doi:10.1002/andp.19103360305.
28. ↑ Hupka, E.: Zur Frage der trägen Masse bewegter Elektronen. In: Annalen der Physik. 338, Nr. 12, 1910, S. 400-402. doi:10.1002/andp.19103360305.
29. ↑ Heil, W.: Zur Diskussion der Hupkaschen Versuche über die träge Masse bewegter Elektronen. In: Annalen der Physik. 338, Nr. 12, 1910, S. 403-413. doi:10.1002/andp.19103381210.
30. ↑ Neumann, Günther: Die träge Masse schnell bewegter Elektronen. In: Annalen der Physik. 350, Nr. 20, 1914, S. 529-579. doi:10.1002/andp.19143502005.
31. ↑ C.E. Guye, C. Lavanchy: Vérification expérimentale de la formule de Lorentz-Einstein par les rayons cathodiques de grande vitesse. In: Compt. Rend. Acad. Sci.. 161, 1915, S. 52-55.
32. ↑ Zahn, C. T. and Spees, A. A.: A Critical Analysis of the Classical Experiments on the Variation of Electron Mass. In: Physical Review. 53, 1938, S. 511–521. doi:10.1103/PhysRev.53.511.
33. ↑ Rogers, M. M. et al.: A Determination of the Masses and Velocities of Three Radium B Beta-Particles. In: Physical Review. 57, 1940, S. 379–383. doi:10.1103/PhysRev.57.379.

Weblinks

• Präsentation zu Kaufmanns Experiment (PowerPoint)
• Roberts, Schleif (2006): Experimentelle Tests der SRT

Tests der speziellen Relativitätstheorie

Isotropie von c: Michelson-Morley-Experiment | Kennedy-Thorndike-Experiment | Mößbauer-Rotor-Experiment | Resonator-Experimente

Lorentzinvarianz: Hughes-Drever-Experiment | Moderne Tests der Lorentzinvarianz |Trouton-Noble-Experiment | Experimente von Rayleigh und Brace | Trouton-Rankine-Experiment |

Zeitdilatation: Ives-Stilwell-Experiment | Mößbauer-Rotor-Experiment | Zeitdilatation bewegter Teilchen

Sagnac/Fizeau: Sagnac-Experiment | Fizeau-Experiment

Relativistische Energie: Kaufmann-Bucherer-Neumann-Experimente | Teilchenbeschleuniger

Alternativen: Widerlegungen der Äthertheorie | Widerlegungen der Emissionstheorie

Allgemein: Testtheorien | Standardmodellerweiterung | Einweg-Lichtgeschwindigkeit