Korpuskeltheorie

Die Korpuskeltheorie (auch Emissionstheorie, Emanationstheorie, ballistische Lichttheorie oder Korpuskulartheorie) ist eine vor allem Isaac Newton zugeschriebene physikalische Theorie, nach welcher das Licht aus kleinsten Teilchen bzw. Korpuskeln (Körperchen) besteht. Die Korpuskeltheorie wurde im 19. Jahrhundert durch die Wellentheorie des Lichtes abgelöst, jedoch werden dem Licht seit der Photonentheorie von Einstein (1905) teilweise wieder auch korpuskulare Eigenschaften zugeschrieben.

Da die ursprüngliche Emissionstheorie mit dem Relativitätsprinzip und somit mit dem Michelson-Morley-Experiment verträglich ist, wurden zu Beginn des 20. Jhd. solche Modelle erneut diskutiert und als Alternative zur Relativitätstheorie in Betracht gezogen. Jedoch wäre in der Emissionstheorie die Lichtgeschwindigkeit von der Geschwindigkeit der Lichtquelle abhängig, was durch eine Reihe anderer Experimente eindeutig widerlegt wurde. Folglich kann die Emissionstheorie nicht mehr als ernsthafte Alternative zur Relativitätstheorie in Betracht gezogen werden.

Geschichte

Es gibt in der Wissenschaftsgeschichte viele verschiedene Emissionstheorien. Wie die Literatur zeigt, sind eine Menge Emissionstheorien in den letzten Jahrhunderten entstanden und wieder in Vergessenheit geraten. Emissionstheoretiker waren zum Beispiel Sir Isaac Newton (1643–1727), Pierre Simon de Laplace (1749–1827), Jean-Baptiste Biot (1774–1862), Sir David Brewster (1781–1868).

Die Theorie besagt, dass das Licht aus winzigen Teilchen bzw. Korpuskeln besteht, die von den leuchtenden Körpern mit großer Geschwindigkeit geradlinig ausgeschleudert werden, wobei die Lichtgeschwindigkeit abhängig von der Geschwindigkeit der Lichtquelle ist. Diese Theorie konnte sowohl die geradlinige Ausbreitung, wie auch die Reflexion des Lichtes erklären. Ebenfalls können verschiedene Farben durch Annahme verschiedener Größe der Lichtteilchen erklärt werden. Beugung, Brechung an Grenzflächen oder teilweise Reflexion bereiten allerdings Schwierigkeiten. Die Brechung wurde so erklärt: In größerem Abstand zu Grenzflächen sind die Lichtteilchen allseitig von (anderen) gleichartigen Teilchen umgeben und fliegen deshalb geradlinig. An der Grenzfläche zweier verschieden „dichter“, transparenter Stoffe werden die „Lichtteilchen“ unterschiedlich stark angezogen und ändern deshalb schlagartig die Flugrichtung. Damit verbunden war die Vermutung, dass das Licht im „optisch dichteren“ Medium schneller fliegt. Erst viel später, nach 1820, wurde durch Augustin Jean Fresnel gezeigt, dass die Lichtgeschwindigkeit im „optisch dichteren“ Medium kleiner ist als beispielsweise im Vakuum (snelliussches Brechungsgesetz). Obwohl also die Begründung für „optisch dichter“ falsch ist, wird dieser Ausdruck heute noch verwendet.

Einige Forscher zogen aus der korpuskularen Natur des Lichts sehr viel weitergehende Schlüsse: Newton deutete bereits 1704 eine mögliche Ablenkung von Lichtstrahlen durch die Schwerkraft an, ohne jedoch die Ablenkung zu berechnen.^[1][2] John Michell (1783)^[3] und unabhängig von ihm Pierre-Simon Laplace (1796)^[4] folgerten, dass derart massereiche Sterne vorstellbar seien, dass selbst das Licht ihnen nicht entkommen könnte, d. h., sie entwarfen eine Frühform eines Schwarzen Lochs. Schließlich (1801, veröffentlicht 1804) berechnete Johann Georg von Soldner die von Newton angedeutete Lichtablenkung, wobei er den korrekten newtonschen Wert von 0,84″ erhielt,^[5] also ungefähr die Hälfte des Werts, den Albert Einstein mit der allgemeinen Relativitätstheorie errechnete.

Im Streit mit Huygens, ob denn nun dessen auf einem Äther basierende Wellentheorie des Lichtes oder die Korpuskeltheorie richtig sei, siegte vorerst Newton. Im 19. Jhd. wurde Newtons Modell allerdings vor allem durch die Arbeiten von Thomas Young, Augustin Jean Fresnel, und James Clerk Maxwell überwunden und die Wellentheorie schien bewiesen zu sein. Jedoch seit der Photonentheorie von Einstein (1905) werden dem Licht teilweise wieder auch korpuskulare Eigenschaften zugeschrieben

Emissionstheorie und Relativitätstheorie

Verschiedene Emissionstheorien

Allen Emissionstheorien gemeinsam ist die Annahme, dass sich das Licht ausschließlich in Bezug zur Lichtquelle konstant mit Lichtgeschwindigkeit ausbreitet - im Gegensatz zur Äthertheorie, wonach sich Licht konstant in Bezug zum Äther ausbreitet. Daraus folgt, wie in der ursprünglichen newtonschen Korpuskeltheorie, dass die Lichtgeschwindigkeit abhängig von der Geschwindigkeit der Lichtquelle ist. Der Wechsel des Inertialsystems erfolgt durch die Galilei-Transformation, wodurch das klassische Relativitätsprinzip erfüllt wird. Das heißt, im Gegensatz zur Äthertheorie ist bei der Emissionstheorie ausschließlich die Relativbewegung von Quelle und Empfänger für den Dopplereffekt $f_{E}=f_{Q}\left(1\pm\tfrac{v}{c}\right)$, als auch für die Aberration verantwortlich.

Da die Emissionstheorie also mit dem Relativitätsprinzip und somit mit den erfolglosen Ätherdriftexperimenten (wie dem Michelson-Morley-Experiment) verträglich ist, wurde sie zu Beginn des 20. Jahrhunderts als Alternative zur lorentzschen Elektrodynamik und der Speziellen Relativitätstheorie wieder in Betracht gezogen. Dies geschah vor allem deswegen, um die mit der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit in allen Inertialsystemen einhergehende radikale Änderung des Verständnisses von Raum und Zeit zu vermeiden. Albert Einstein selbst zog vor 1905 eine Emissionstheorie in Erwägung, jedoch verwarf er diese Theorie noch vor 1905, da er sie als unverträglich mit den gewonnenen Erkenntnissen der Elektrodynamik ansah.^[6][7][8]

Während das Licht sich in allen Emissionsmodellen konstant in Bezug zur ursprünglichen Lichtquelle ausbreitet, gab es unterschiedliche Vorstellungen, was überhaupt als Lichtquelle zu bewerten ist bzw. ob auch Spiegel dazu gezählt werden dürfen. Daraus entwickelten sich verschiedene Emissionstheorien^[9][10] (dabei wurden diese Überlegungen gelegentlich auch auf elektromagnetische Wellen übertragen, d. h., Emissionstheorien sind nicht notwendigerweise auf das Teilchenbild des Lichts beschränkt^[11]):

• Licht breitet sich ausschließlich konstant in Bezug zur ursprünglichen Lichtquelle aus, unabhängig davon, ob es später an einem Spiegel reflektiert wird. Das heißt, das Zentrum der sphärischen Welle bewegt sich immer mit der selben Geschwindigkeit wie die ursprüngliche Lichtquelle. Dieses Modell wurde durch Walter Ritz 1908 vorgeschlagen, und galt als die am weitesten entwickelte Emissionstheorie.^[12]
• Jeder Körper ist als neue Lichtquelle zu betrachten. Das heißt, ein Spiegel, der von einem Lichtstrahl getroffen wird und diesen reflektiert, fungiert als neue Lichtquelle, relativ zu dem sich das Licht nun konstant mit Lichtgeschwindigkeit ausbreitet. Licht breitet sich also als eine sphärische Welle aus, dessen Zentrum sich mit der Geschwindigkeit des jeweils letzten Körpers bewegt, von dem das Licht zuletzt reflektiert wurde. Dieses Modell wurde von Richard C. Tolman 1910 vorgeschlagen (wobei Tolman selbst Einsteins Relativitätstheorie bevorzugte).^[13]
• Licht, welches von einem Spiegel reflektiert wird, breitet sich von nun an mit der Geschwindigkeit des Spiegelbildes der ursprünglichen Quelle aus. (Diese Theorie wurde von Stewart 1911 vorgeschlagen).^[14]
• Eine Modifikation der Ritz-Tolman-Theorie wurde von Fox (1965) eingeführt. Dieser argumentierte, dass auch die Extinktion (also Absorption, Streuung, und Emission des Lichtes innerhalb eines durchquerten Mediums) berücksichtigt werden muss. In der Luft wäre die Extinktionslänge für sichtbares Licht nur 0,2 cm, d. h., nach dieser Entfernung würde die Lichtgeschwindigkeit nicht mehr konstant zur Quelle, sondern konstant zum Medium sein (wobei Fox selbst Einsteins Relativitätstheorie bevorzugte).^[10]

Michelson-Morley-Experiment

Im Ruhesystem des Interferometers bzw. der Lichtquelle breiten sich die Lichtstrahlen mit konstanter Geschwindigkeit in alle Richtungen aus. Bei einer Armlänge von D ergeben sich die Laufzeiten in longitudinaler und transversaler Richtung von je

$T=\frac{2D}{c}$.

In einem Inertialsystem, in dem sich die Anordnung mit v bewegt, bekommt das Licht die Geschwindigkeit der Lichtquelle wie bei einem Geschoss gemäß der Galilei-Transformation hinzuaddiert. Die Lichtgeschwindigkeit in longitudinaler Richtung ist c+v und der zurückzulegende Wege D+vt. Bei der Rückkehr bewegt sich der Lichtstrahl mit c-v und der zurückzulegende Wege ist D-vt. Das ergibt eine Laufzeit von:

$T=\frac{D+vt}{c+v}+\frac{D-vt}{c-v}=\frac{2D}{c}$.

In transversaler Richtung ergeben sich mit dem phythagoräischen Lehrsatz a) ein Laufweg von $2\sqrt{D^{2}+(vt)^{2}}$ wo D der Laufweg in y-Richtung und vt in x-Richtung ist, und b) eine Lichtgeschwindigkeit von $\sqrt{c^{2}+v^{2}}$ wo c die Geschwindigkeitskomponente in y-Richtung und v in x-Richtung ist. Das ergibt eine Laufzeit von

$T=2\sqrt{\frac{D^{2}+(vt)^{2}}{c^{2}+v^{2}}}=\frac{2D}{c}$.

Die Laufzeit T ist in allen Inertialsystemen also gleich, d.h. die Lichtstrahlen breiten sich in allen Systemen konstant relativ zur Lichtquelle aus.^[15] Alle Emissionstheorien sind daher bei Verwendung einer stationären Lichtquelle mit dem negativen Ergebnis dieses Experimentes verträglich (hingegen, wie Tolman ausführte, ergäbe sich beim Modell von Ritz bei Verwendung von Sonnen- bzw. Sternenlicht ein positives Ergebnis.)^[9]

Kritik an Emissionstheorien

Siehe auch: Tests der speziellen Relativitätstheorie

Zur Überprüfung der Emissionstheorien wird gewöhnlich folgendes Schema benutzt:

$c'=c+kv\,$

wo c die Lichtgeschwindigkeit, v die Quellengeschwindigkeit, und c' die resultierende Geschwindigkeit ist; k gibt das Ausmaß der Quellenabhängigkeit an. Bei k=0 ist die Lichtgeschwindigkeit völlig unabhängig von der Quellengeschwindigkeit (wie in der SRT bzw. dem ruhenden Äther), hingegen bei k=1 ist sie vollständig abhängig von ihr. Werte zwischen 0 und 1 sind auch möglich, und repräsentieren eine eingeschränkte Quellenabhängigkeit. Die Emissionstheorien gelten als experimentell widerlegt, d.h. im Rahmen der aktuellen Messgenauigkeit wurde gezeigt dass k annähernd 0 ist:

de Sitters Doppelstern-Argument

• Die unterschiedlichen Geschwindigkeiten, mit denen das Licht je nach Position von Doppelsternen in der Umlaufbahn ausgesandt würde, würde gemäß der Emissionstheorie das auf der Erde empfangene Bild der Umlaufbahnen verzerren. Das heißt, die Sterne verhalten sich scheinbar so, als ob sie den Keplerschen Gesetzen nicht mehr unterworfen wären. Das ist jedoch nicht der Fall, wie Daniel Frost Comstock (1910) und vor allem Willem de Sitter (1913) anführten, wobei $k < 2\times10^{-3}$ erzielt wurde.^[16][17][18] Dieser Einwand betrifft allerdings nicht das Extinktionsmodell von Fox (also Absorption, Streuung, und Emission des Lichtes durch interstellaren Staub, welcher relativ zur Erde praktisch ruht), wodurch die Lichtstrahlen relativ zur Erde wieder Lichtgeschwindigkeit annehmen.^[10] Jedoch Brecher (1977) untersuchte die von Doppelsternen emittierte Röntgenstrahlung, welche mit interstellarem Staub kaum wechselwirkt. Dadurch ist die Extinktion nicht groß genug ist, um das Ergebnis nennenswert zu verfälschen. Auch hier konnten keine Verzerrungen und somit auch keine Abhängigkeit von der Quellengeschwindigkeit festgestellt werden, was $k < 2\times10^{-9}$ entspricht.^[19]

• Alväger et al. (1964) haben π⁰-Mesonen beobachtet, welche bei einer Geschwindigkeit von 99,9 % der Lichtgeschwindigkeit in Photonen zerfallen. Nach den Emissionstheorien müssten die Photonen nun den Impuls und damit die Geschwindigkeit der Mesonen aufaddiert bekommen. Jedoch bewegten sich die Photonen weiter mit Lichtgeschwindigkeit, bei $k =(-3\pm13)\times10^{-5}$. Die Untersuchung der Medien, welche bei diesem Experiment von den Photonen durchquert wurden, ergab auch hier, dass die Extinktion nicht ausreichend ist, um das Ergebnis nennenswert zu verfälschen.^[20]

• Emissionstheorien widersprechen dem Sagnac-Effekt. Dieser Effekt beruht darauf, dass aufgrund der Rotation eines Interferometers der Weg für einen Strahl länger wird, und für den anderen kürzer. Dies ist aber nur dann möglich, wenn die Lichtgeschwindigkeit unabhängig von der Geschwindigkeit der Quelle ist.^[21][22] Auch hier spielt Extinktion keine Rolle, da der Sagnac-Effekt auch im Vakuum auftritt.

• Babcock et al. (1964)^[23] platzierten rotierenden Glasplatten zwischen den Spiegeln einer Experimentalanordnung vom Michelson-Morley-Typ. Wenn die Geschwindigkeit der Glasplatten sich zur Lichtgeschwindigkeit addieren würde, müsste es zu einer messbaren Verschiebung der Interferenzstreifen kommen. Das Ergebnis war jedoch negativ und da das Experiment im Vakuum durchgeführt wurde, spielt Extinktion ebenfalls keine Rolle. Nur die ursprüngliche Theorie von Ritz, wonach die Glasplatten nicht als neue Lichtquellen anzusehen sind, ist mit dem Ergebnis verträglich, jedoch gibt es in der ritzschen Theorie keine Extinktion, wodurch sie im Widerspruch zu allen andern Experimenten steht, die nur durch Extinktion mit der Emissionstheorie zu vereinbaren sind.

• Hans Thirring wies 1924 darauf hin, dass »wenn ein Atom auf der Sonne während des Emissionsaktes durch einen thermischen Zusammenstoß eine Änderung der Geschwindigkeitskomponente in der Visionsrichtung erfährt, dann wird der von ihm emittierte Wellenzug von etwa 3 m Gesamtlänge auf dem Wege zur Erde zunächst auf die Länge Null zusammenschrumpfen, wird sich dann gewissermaßen überschlagen und schließlich, mit dem Hinterende voraus, auf eine Gesamtlänge von 500 km auseinandergezogen, beim irdischen Beobachter anlangen, der die Strahlung als Radiowelle von einigen Zentimetern Wellenlänge empfängt. Die ballistische Hypothese wird also in ihrer konsequenten Fassung allein schon durch die Tatsache widerlegt, daß die Sonnenstrahlung ein sichtbares Spektrum mit scharfen Spektrallinien besitzt.«^[24]

• Die maxwellsche Elektrodynamik und die spezielle Relativitätstheorie beruhen auf der Unabhängigkeit der Lichtgeschwindigkeit von der Quelle, und deren Voraussagen sind allesamt mit hoher Präzision experimentell bestätigt wurden. Es wurde bislang keine Emissionstheorie entwickelt, welche alle diese experimentellen Resultate mindestens genauso gut erklären könnte, was Voraussetzung ist, damit sie überhaupt als ernsthafte Alternative in Betracht kommen kann. Darüber hinaus wurde die maxwellsche Elektrodynamik zur Quantenelektrodynamik weiterentwickelt, wobei diese als die am genauesten bestätigte Theorie überhaupt gilt - auch hier ist die Lichtgeschwindigkeit unabhängig von der Quellengeschwindigkeit.

Siehe auch

• Geschichte der speziellen Relativitätstheorie
• Kritik an der Relativitätstheorie

Weblinks

• Critical Researches on General Electrodynamics, Walter Ritz, 1908

Einzelnachweise

1. ↑ Newton, I.: New theory about light and colours. Fritsch 1672/1965
2. ↑ Newton, I.: Opticks 1704/1730
3. ↑ Michell, John: On the means of discovering the distance, magnitude etc. of the fixed stars. In: Philosophical Transactions of the Royal Society. 1784, S. 35-57.
4. ↑ Laplace, Pierre-Simon: The system of the world (English translation 1809), 2, S. 366-368, London: Richard Phillips 1796
5. ↑ Soldner, Johann Georg von: Ueber die Ablenkung eines Lichtstrals von seiner geradlinigen Bewegung. In: Berliner Astronomisches yearbuch. 1804, S. 161-172.
6. ↑ Shankland, R. S.: Conversations with Albert Einstein. In: American Journal of Physics. 31, Nr. 1, 1963, S. 47–57. doi:10.1119/1.1969236.
7. ↑ Norton, John D.: Einstein's Investigations of Galilean Covariant Electrodynamics prior to 1905. In: Archive for History of Exact Sciences. 59, 2004, S. 45–105. doi:10.1007/s00407-004-0085-6.
8. ↑ Martínez, Alberto A.: Ritz, Einstein, and the Emission Hypothesis. In: Physics in Perspective. 6, Nr. 1, S. 4-28. doi:10.1007/s00016-003-0195-6.
9. ↑ ^{a b} Tolman, R.C.: Some Emission Theories of Light. In: Physical Review. 35, Nr. 2, 1912, S. 136–143.
10. ↑ ^{a b c} Fox, J. G.: Evidence Against Emission Theories. In: American Journal of Physics. 33, Nr. 1, 1965, S. 1-17. doi:10.1119/1.1971219.
11. ↑ Kunz, Jakob: An Attempt at an Electromagnetic Emission Theory of Light. In: Physical Review. 3, Nr. 6, 1914, S. 464-475. doi:10.1103/PhysRev.3.464.
12. ↑ Ritz, Walter: Recherches critiques sur l'Électrodynamique Générale. In: Annales de Chimie et de Physique. 13, 1908, S. 145-275. Siehe auch englische Übersetzung.
13. ↑ Tolman, R.C.: The Second Postulate of Relativity. In: Physical Review. 31, Nr. 1, 1910, S. 26–40.
14. ↑ Stewart, Oscar M.: The Second Postulate of Relativity and the Electromagnetic Emission Theory of Light. In: Physical Review. 32, Nr. 4, 1911, S. 418-428.
15. ↑ Cyrenika, A.A.: Principles of Emission Theory. In: Apeiron. 7, 89-106.
16. ↑ Comstock, D.F.: A Neglected Type of Relativity. In: Physical Review. 30, Nr. 2, 1910, S. 267.
17. ↑ De Sitter, W.: Ein astronomischer Beweis für die Konstanz der Lichtgeschwindigkeit. In: Physikalische Zeitschrift. 14, 1913, S. 429.
18. ↑ De Sitter, W.: Über die Genauigkeit, innerhalb welcher die Unabhängigkeit der Lichtgeschwindigkeit von der Bewegung der Quelle behauptet werden kann. In: Physikalische Zeitschrift. 14, 1913, S. 1267.
19. ↑ Brecher, K.: Is the speed of light independent of the velocity of the source. In: Physical Review Letters. 39, 1977, S. 1051-1054. doi:10.1103/PhysRevLett.39.1051.
20. ↑ Alväger, T.; Farley, F. J. M.; Kjellman, J.; Wallin, L.: Test of the second postulate of special relativity in the GeV region. In: Physics Letters. 12, Nr. 3, 1964, S. 260-262. doi:10.1016/0031-9163(64)91095-9.
21. ↑ Sagnac, Georges: Sur la preuve de la réalité de l'éther lumineux par l'expérience de l'interférographe tournant. In: Comptes Rendus. 157, 1913, S. 1410–1413.
22. ↑ Witte, Hans: Sagnac-Effekt und Emissionstheorie. In: Berichte der Deutschen Physikalischen Gesellschaft. 16, 1914, S. 755-756.
23. ↑ Babcock, G. C.; Bergman, T. G.: Determination of the Constancy of the Speed of Light. In: Journal of the Optical Society of America. 54, Nr. 2, 1964, S. 147-150. doi:10.1364/JOSA.54.000147.
24. ↑ Thirring, Hans: Über die empirische Grundlage des Prinzips der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit. In: Zeitschrift für Physik. 31, Nr. 1, 1924, S. 133–138.

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