Licht-Äther

Licht-Äther
Einige Äthervorstellungen implizieren einen jahreszeitlich wechselnden Ätherwind

Der Äther (griech. αἰθήρ [aithär] für der (blaue) Himmel) ist eine Substanz, die im ausgehenden 17. Jahrhundert als Medium für die Ausbreitung von Licht postuliert wurde. Später wurde das Konzept aus der Optik auch auf die Elektrodynamik und Gravitation übertragen, vor allem um auf Fernwirkung basierende Annahmen zu vermeiden. Seit der allgemeinen Akzeptanz der speziellen Relativitätstheorie Albert Einsteins und der Quantenmechanik wird ein solcher Äther nicht mehr als physikalisches Konzept benötigt.

Inhaltsverzeichnis

Frühe Entwicklung des Lichtäthers

Die neuzeitlichen Äthertheorien gehen auf die Aristotelische (384–322 v. Chr.) Elementenlehre zurück, die den Äther als Medium der gleichmäßigen Kreisbewegungen der Gestirne einführte.

Descartes, Hooke, Huygens

In der Neuzeit ging René Descartes von folgenden philosophischen Erwägungen aus: Materie ist einzig durch Ausdehnung charakterisiert und umgekehrt existiert auch keinerlei Ausdehnung ohne Materie. Daraus folgt, dass der gesamte „leere“ Raum mit Materie ausgefüllt sein muss. Dies verband er mit der Vorstellung, dass alle Prozesse durch direkte Kontakte dieser Materie, d. h. als Nahwirkungen in Form von Bewegung und Druck aufgefasst werden müssen. Er benutzte diese Vorstellung 1637 in seiner Theorie über die Natur des Lichts, indem er kugelförmige Lichtteilchen postulierte, wobei der von diesen eng aneinander gepressten Teilchen ausgeübte statische Druck als Licht zu verstehen ist. Es gelang ihm dabei (wie vor ihm Willebrord van Roijen Snell 1621), die Brechungsgesetze zu entdecken.[1]

Nach Descartes war es zu heftigen Diskussionen gekommen, ob ein leerer Raum denkbar sei. Blaise Pascal bemerkte hierzu: „Eher erträgt die Natur ihren Untergang als den kleinsten leeren Raum.“ Pascal kritisierte damit das Postulat von Zeitgenossen, sie hätten über Verkleinerung des Luftdrucks ein völliges Vakuum erzeugen können. Er bezog sich damit insbesondere auf Evangelista Torricellis Annahme, einen leeren Raum erzeugt zu haben. Pascal verwies darauf, dass das Fehlen von Luft nicht automatisch identisch mit einer völligen Leere des Raums sei.

Im Gegensatz zu Descartes' Idee eines statischen Drucks ging Robert Hooke 1667 von einem „homogenen Medium“ aus, in dem sich Licht in Form von Pulsen und Vibrationen geradlinig und mit gleichmäßiger Geschwindigkeit in alle Richtungen ausbreitet. Jeder Lichtpuls kann als eine immer größer werdende Sphäre betrachtet werden, analog zur Ausbreitung der Wellen auf der Wasseroberfläche. Das bedeutet, es findet kein materieller Transport statt, vielmehr wird lediglich die Information über den Bewegungszustand übermittelt. Die unterschiedlichen Bereiche der Pulse würden bei dem Übergang von einem Medium ins andere unterschiedliche Geschwindigkeiten haben, womit Hooke Descartes' Erklärung der Brechung ersetzte. Seine Theorie bedeutete zwar im Vergleich zu Descartes einen großen Fortschritt, da er jedoch noch nicht über die Begrifflichkeiten der Wellenlehre verfügte, konnte auch er nicht alle Gesetze der Brechung und Reflexion vollständig erklären. Auch seine damit zusammenhängende Theorie der Farben wurde bald von Newton widerlegt.[2]

Christiaan Huygens schließlich formulierte 1678–1690 die erste vollständige Undulationstheorie des Lichts, wobei sein Lichtäther nach seiner Vorstellung die feste Materie ebenso wie den leeren Raum des Weltalls durchdrang. Indem er eine systematische Beschreibung und Erklärung der Wellenphänome entwarf, konnte er eine elegante Erklärung für die Reflexion und Brechung geben, was ein Hauptargument für die Wellentheorie und somit für den Äther wurde.[3]

Newtons Kritik

Isaac Newton kritisierte, dass die Wellentheorie weder die geradlinige Ausbreitung, noch die Polarisation des Lichts erklären könne. Deswegen ging er davon aus, dass Licht aus Partikeln oder Korpuskeln besteht, um die geradlinige Ausbreitung und Reflexionserscheinungen mechanisch interpretieren zu können, wobei er allerdings nicht sehr viel über die Natur dieser Korpuskel sagte. Jedoch konnte er mit diesem Modell die Lichtbrechung und Beugungserscheinungen nur unbefriedigend erklären. Deswegen behielt Newton zwar in seinem einflussreichen Werk Opticks (1704) die Korpuskularauffassung des Lichts bei, kombinierte diese jedoch mit einem Äther, welcher für die Wärmeübertragung verantwortlich sein soll. Dieses Medium soll in der Nähe der Materie etwas an Dichte verlieren, und durch Wechselwirkung der Korpuskel mit diesem Medium wird sowohl Wärme erzeugt und andererseits entstehen Effekte wie Beugung und Brechung. Er schrieb:[4]

„Wird nicht die Wärme eines Raumes durch die Schwingungen eines viel feineren Mediums im Vakuum transportiert, das nach Evakuierung der Luft im Vakuum verbleibt? Und ist dieses Medium nicht dasselbe wie jenes, durch das Licht gebrochen und reflektiert wird und durch dessen Schwingungen das Licht Wärme zu Körpern überträgt und dabei in Zustände leichter Reflexion und Weiterleitung versetzt wird?“

Obwohl Newton schon (1671) im zweiten Buch seines Hauptwerks „Principia Mathematica“ alle (stets auf einer Ätherhypothese beruhenden) Wirbeltheorien zur Erklärung der Planetenbewegungen widerlegt hatte – deren damals weitgehend anerkannte war 1644 von Descartes veröffentlicht worden –, verwarf er den Äther jedoch nie endgültig, sondern bekannte – letztlich 1704 – in Opticks lediglich:

„Denn was der Äther ist, weiß ich nicht.“

Lichtäther als Festkörper

Von Ausnahmen wie Benjamin Franklin und Leonhard Euler abgesehen, wurde aufgrund der großen Autorität Newtons die Korpuskeltheorie von den meisten damaligen Physikern bevorzugt. Dies wurde vor allem durch James Bradleys Entdeckung (1728) der Aberration des Lichts bestätigt, welche besonders einfach mit der Teilchennatur in Verbindung gebracht werden konnte.

Erst 1800 bis 1804 konnte Thomas Young der Wellentheorie zum Durchbruch verhelfen. Young konnte als erster nachweisen, dass die Wellentheorie des Lichts manche Phänomene erklären konnte, die nicht mit der Korpuskeltheorie Newtons in Einklang zu bringen waren. So erklärte er z. B. die Newtonschen Ringe durch das Prinzip der Interferenz und führte als erster das Doppelspaltexperiment durch, dessen Ergebnis eindeutig für die Wellennatur des Lichts und somit für die Existenz des Äthers sprach. Jedoch war auch Young nicht in der Lage, den Effekt der Polarisation mit dem Wellenmodell zu vereinbaren. 1817 löste er auch dieses Problem indem er annahm, dass Lichtwellen sich wie Transversalwellen verhalten – das war ungewöhnlich, da man sich in Analogie zum Schall die Lichtwellen als Longitudinalwellen vorgestellt hatte.[5]

Augustin Jean Fresnel war es schließlich, der eine ausgearbeitete und vielfach bis zur heutigen Zeit gültige Theorie der optischen Erscheinungen auf Basis des Lichtäthers gab. Er leitete 1816 bis 1819 die optischen Erscheinungen nach dem Vorbild der Mechanik aus Eigenschaften des Äthers ab. Nach seiner Theorie verhält sich Äther gegenüber Transversalwellen wie ein elastischer Festkörper. Das bedeutet, im leeren Raum ist der Äther in Ruhe und das Licht breitet sich in alle Richtungen gleich schnell aus.[6]

Die Theorien des elastischen Äthers (in unterschiedlichen Ausprägungen) wurde u. a. von Claude Louis Marie Henri Navier (1827), Augustin Louis Cauchy (1828), Siméon Denis Poisson (1828), James MacCullagh (1837), Franz Ernst Neumann (1837), George Green (1838) fortgeführt. Einerseits waren diese Modelle bei der Entwicklung der Theorie der Festkörper sehr hilfreich und nützlich, andererseits aber gab es auch viele teilweise (aus heutiger Sicht) fantastische Hypothesen über die mechanische Ätherkonstitution.

MacCullaghs Äthermodell von 1839 beruhte auf mechanischen Verdrehungen gegen den absoluten Raum in einem elastischen Festkörper und ergab Bewegungsgleichungen, die in ihrer Form genau den damals noch unbekannten Maxwellgleichungen entsprechen.[7] Trotz dieser erstaunlichen Übereinstimmung musste das Modell jedoch wegen verschiedener Widersprüche bei der Erklärung optischer Erscheinungen verworfen werden. Erst 40 Jahre später wies George Francis FitzGerald dann darauf hin, dass MacCullogh mit seinen 1839 vorgestellten Gleichungen die 1864 veröffentlichten Maxwellgleichungen in gewissem Sinne vorwegnahm.[8]

Elektromagnetischer Äther

Nachdem im 16. und 17. Jahrhundert diverse Ätherdruckmodelle zur Erklärung von Magnetismus und Elektrizität entwickelt worden waren, führte der Siegeszug der newtonschen Gravitationstheorie dazu, dass auch für diese Phänomene eine Fernwirkung ohne Äther vorausgesetzt wurde. Es entstanden so die wichtigen Theorien von Charles Augustin de Coulomb und André Marie Ampère. Allerdings wurde bereits von Wilhelm Eduard Weber (1856) und anderen bemerkt, dass die Lichtgeschwindigkeit innerhalb des Elektromagnetismus eine bedeutende Rolle spielt.

Theorie der Molekularwirbel des Äthers nach James Clerk Maxwell: AB bedeutet einen elektrischen Strom von A nach B, die kleinen Kreise stellen elektrische Teilchen dar, die großen Räume dazwischen sind die Molekularwirbel.

Eine Interpretation dieses Zusammenhangs gelang dann zuerst Michael Faraday. Dieser schloss, dass es Kraftlinien im Äther gebe, welche die elektromagnetischen Wirkungen mit endlicher Geschwindigkeit übermitteln. Durch die Maxwellschen Gleichungen, die James Clerk Maxwell 1861 bis 1864 entwickelt hatte, konnte schließlich die Vereinigung der Optik und Elektrodynamik erreicht werden. Der Äther wurde dadurch zum Träger aller elektrodynamischen Phänomene einschließlich der Optik, von dessen Wirksamkeit Maxwell fest überzeugt war. In dem von ihm verfassten Eintrag in der Encyclopædia Britannica stellt er am Ende zusammenfassend fest:[9][10]

„Welche Schwierigkeiten wir auch haben, um eine konsistente Vorstellung der Beschaffenheit des Äthers zu entwickeln: Es kann keinen Zweifel geben, dass der interplanetarische und interstellare Raum nicht leer ist, sondern dass beide von einer materiellen Substanz erfüllt sind, die gewiss die umfangreichste und vermutlich einheitlichste Materie ist, von der wir wissen.“

Das Bindeglied zwischen den elektrodynamischen und optischen Phänomene war die Lichtgeschwindigkeit, welche als Grenzgeschwindigkeit relativ zum Äther galt.[11][12][13][14][15] Maxwell selbst und andere formulierten mehrere mechanische Äthermodelle wie z.B. das weithin diskutiert Modell der Molekularwirbel von Maxwell (Bild rechts).

Besonders bekannt waren dabei Modelle, wo Wirbel zur Darstellung molekularer und elektromagnetischer Effekte benutzt wurden. Hermann von Helmholtz (1858) zeigte, dass Wirbelringe in einem perfekten Fluid unzerstörbar sind. Kelvin (1867) entwarf daraufhin eine Theorie, wo die Atome der Materie eben solche Wirbel seien. Die Wechselwirkungen der Materie sind dann vergleichbar mit dem Zusammenspiel von Rauchringen, welche immer neue Verbindungen eingehen. Aber auch diese Theorie musste verworfen werden, da die Verbindungen nicht stabil bleiben konnten. Eine andere Variante war Kelvins Vortex-Sponge-Theorie, wo in gewissen Abschnitten des Äthers sowohl rotierende als auch rotationsfreie Teile zusammenwirken. Jedoch kam man auch hier nicht über Analogien hinaus, sodass es letztlich nicht gelang, eine einheitliche mechanische Äthertheorie, welche das gesamte elektromagnetische Feld und die Materie erklärt, zu erstellen.[16]

Während britische Forscher relativ schnell die Theorie Maxwells übernahmen und weiterentwickelten (wie Joseph John Thomson, Oliver Heaviside, George Francis FitzGerald, John Henry Poynting, Joseph Larmor), verblieb man im deutschsprachigen Raum jedoch bei Fernwirkungstheorien im Sinne Webers und Neumanns. Das änderte sich erst 1888, als Heinrich Hertz die von Maxwell vorausgesagte endliche Ausbreitungsgeschwindigkeit der elektromagnetischen Kräfte direkt nachwies. Er brachte die zeitgenössische Ansicht über den Äther auf den Punkt:[17]

„Nehmt aus der Welt die Elektrizität, und das Licht verschwindet; nehmt aus der Welt den lichttragenden Äther, und die elektrischen und magnetischen Kräfte können nicht mehr den Raum überschreiten.“

Hertz entwickelte dabei zwischen 1887-1890 seine Elektrodynamik bewegter Körper − vor bzw. gleichzeitig mit Hertz wurde eine ähnliche Theorie auch von Oliver Heaviside entwickelt. Dessen Theorie wurde jedoch verworfen, weil sie einerseits auf einem vollständig mitgeführten Äther beruhte (siehe den Abschnitt „Relativbewegung zwischen Äther und Materie“), und weil sie nur bei im elektromagnetischen Feld bewegten Leitern korrekte Ergebnisse lieferte, nicht jedoch bei bewegten Isolatoren.[18] Wichtig war dabei jedoch die Formulierung der maxwellschen Gleichungen, welche Hertz seiner Theorie als Postulat zugrunde gelegt hatte, und die später in der Form der "maxwell-hertzschen" Gleichungen großen Einfluss hatten − wobei die Gleichungen ihre moderne Form schließlich durch Heaviside erhielten.

Probleme der Äthertheorien

Widerstand

Ein grundlegendes Problem der Äthertheorien war, dass ein mechanischer Äther einem bewegten Körper einigen Widerstand in Bewegungsrichtung entgegensetzen müsste. Um dieses Problem zu lösen, schlug George Gabriel Stokes (1845) vor, dass sich der Äther ähnlich wie Pech verhält: Dieses zerspringt, wenn mit einem Hammer sehr schnell darauf geschlagen wird. Ein schweres Gewicht hingegen sinkt wie bei einer zähen Flüssigkeit ein. Dadurch wäre es erklärbar, dass bei Schwingungen wie denen des Lichts der Äther sich wie ein elastischer Festkörper verhält, und bei massiven, langsamen Objekten wie den Planeten wie eine Flüssigkeit. (Untersuchungen zur Äthertheorie hatten zwischenzeitlich zu der Annahme geführt, dass der Ätherstoff etwa 1,5 · 1011 mal leichter sein müsse als atmosphärische Luft).

Andere Physiker waren jedoch radikaler: Sie nahmen an, dass der Äther die einzig wirkliche Materie sei und "normale" Materie gar nicht existiere, sondern bloß eine Veränderung des Ätherzustandes darstellt. In Analogie zu Vibrationen, welche sich mit konstanter Geschwindigkeit durch ein Medium fortpflanzen - das Problem des Widerstandes würde sich hierbei nicht mehr stellen.[19] Einige Beispiele: Laut Lord Kelvin ist der Äther eine Flüssigkeit, und Materie kann als Wirbel aufgefasst werden, der sich im Äther fortpflanzt. Nach Lorentz ist Materie bloß eine "Modifikation" des Äthers, nach Joseph Larmor ist sie als Torsion des Äthers aufzufassen, und Paul Langevin definiert sie als bloße Verflüssigung des Äthers, wobei sich diese Stellen der Verflüssigung weiterbewegen und der Äther sich hinter ihnen wieder verfestigt.

Relativbewegung zwischen Äther und Materie

Keine oder teilweise Mitführung

1810 überprüfte François Arago experimentell die Möglichkeit eines Einflusses der Bewegung eines Prismas auf die Brechung des Lichtes, doch das Ergebnis war negativ.[20] Jedoch nach der Fresnelschen Theorie wäre ein positives Ergebnis zu erwarten gewesen. Fresnel (1818) erklärte das Ergebnis nun mit der Annahme, dass die Lichtgeschwindigkeit in den Körpern durch teilweise Mitführung des Äthers modifiziert werde. Diese Mitführung entstehe dadurch, dass in den Körpern der Äther zusammengedrückt und deshalb etwas dichter sei, wobei genau dieser Überschuss an Ätherdichte, nicht jedoch der Bereich normaler Dichte, von den Körpern mitgeführt werde.[21] Der Mitführungskoeffizient (wo v die Geschwindigkeit des Mediums und n die Brechzahl ist) ergibt sich mit φ = (1 − 1 / n2)v.

Damit in engem Zusammenhang stand die Aberration des Lichtes. Diese spricht zwar prinzipiell für einen ruhenden Äther - jedoch nur, wenn Licht sich auch im Äther wie ein Teilchen verhält. Da das Licht jedoch als Welle betrachtet wurde, ergab sich folgendes Problem: Aufgrund der Bewegung der Erde durch den ruhenden Äther findet überhaupt keine Ablenkung der Wellenebenen statt − das heißt die Lage der Wellenfront verändert sich nicht und es gibt keine Aberration. Fresnel konnte jedoch zeigen, dass Lichtwellen − gemäß der Annahme eines (beinahe) ruhenden Äther zusammen mit dem fresnelschen Mitführungskoeffizienten − an der Oberfläche der Körper auf dieselbe Art gebrochen wird, wie es die Aberrationsformel verlangt. [22] Eine genau Bestätigung des Mitführungskoeffizienten wurde durch das Fizeau-Experiment von Hippolyte Fizeau (1851) ermöglicht. Er verwendete eine Interferometer-Anordnung, bei der die Lichtgeschwindigkeit im Wasser gemessen wurde. Fizeaus Ergebnis wurde in noch genauerer Form von Michelson und Morley (1886) bestätigt.[23][24] Die Schwäche der Erklärung Fresnels bestand jedoch darin, dass aufgrund der Abhängigkeit von der Ätherdichte auch eine Abhängigkeit des Koeffizienten von der Farbe bzw. Frequenz vorliegen sollte - was jedoch nicht stimmen konnte. So wurden zwar Fresnels Formel und die grundlegende Idee eines ruhenden Äthers von vielen akzeptiert, jedoch die genauen Prozesse im Äther, welche die teilweise Mitführung ergaben, blieben ungeklärt bzw. konnten nur sehr spekulativ behandelt werden.

Vollständige Mitführung

Für George Gabriel Stokes (1845) und später auch Hertz (1890) war jedoch die Vorstellung eines Äthers, welcher von der Bewegung der Materie nur sehr gering beeinflusst wurde, sehr unnatürlich. Ebenfalls von einem elastischen Äther ausgehend vertrat er daher die Idee einer vollständigen Mitführung des Äthers innerhalb und − mit der Entfernung abnehmend − auch außerhalb der Körper.[25] Um dieselben Effekte wie Fresnel zu erhalten, musste Stokes jedoch komplizierte Zusatzhypothesen einführen. Für den Mitführungskoeffizienten nahm er an, dass zwar der gesamte Äther mitgeführt wird, jedoch die Geschwindigkeit des Äthers im Körper etwas modifiziert wird.

Das Hauptproblem war jedoch die Aberration: Während Fresnel den Effekt aus den fundamentalen Annahmen seiner Theorie − beinahe ruhender Äther mit einem geringen Mitführungskoeffizienten - ableiten konnte, schien dies bei einem vollständig mitgeführten Äther ausgeschlossen. Denn hier tritt an der Oberfläche der Erde bzw. innerhalb eines Teleskops überhaupt keine Relativbewegung zwischen Erde und Äther auf, und folglich gibt es auch keinen Grund für eine Aberration des Lichtes. Stokes musste daher annehmen, dass der Äther inkompressibel und bei vollständiger Mitführung an der Erdoberfläche trotzdem rotationsfrei sei. Diese Umstände würden nun zu einer Brechung des Lichts im mitgeführten Äther führen, welche den Effekt der Aberration reproduzieren könnte. Lorentz (1886) konnte jedoch zeigen, dass Stokes' Annahmen sich selbst und den mechanischen Gesetzen widersprechen - alle Bedingungen können nicht gleichzeitig erfüllt sein. Trotzdem versuchte Max Planck (1899) diese Idee mit der Annahme zu retten, dass durch die Gravitation eine Kondensation des Äthers in Erdnähe stattfinden könnte, sodass der Äther ähnliche Eigenschaften erhält, wie sie Stokes für seine Theorie benötigt. Jedoch verwies Lorentz (1899) darauf, dass gemäß dieser Annahme selbst eine 50.000fache Verdichtung des Äthers keinen nennenswerten Einfluss auf die elektromagnetischen Erscheinungen habe - was äußerst unwahrscheinlich ist.[26] Aufgrund der Widersprüchlichkeit und Künstlichkeit dieser Hypothesen konnte sich Stokes' Theorie gegenüber Fresnels erfolgreicher Theorie nicht durchsetzen.

Michelson-Morley-Experiment

Fresnels Mitführungkoeffizient hatte zur Folge, dass bei Ätherdrift-Experimenten keine positiven Resultate in der Größenordnung von v / c zu erwarten waren, wobei v die Relativgeschwindigkeit Erde-Äther und c die Lichtgeschwindigkeit ist. Jedoch sollte es bei Experimenten, welche Effekte in der Größenordnung von v2 / c2 aufzuzeigen vermochten, unbedingt zu positiven Resultaten kommen. Das Michelson-Morley-Experiment war das erste Experiment dieser Art. Bei diesem Experiment (1887) wurde festgestellt, dass die Geschwindigkeit der Erde (an der Erdoberfläche) relativ zum vermuteten Lichtäther entweder gleich null ist bzw. der Äther vollständig mitgeführt wird. Dieses Ergebnis war aus damaliger Sicht sehr seltsam, hatte doch Lorentz 1886 (wie auch Albert Abraham Michelson 1887 anmerkte) die Unzulässigkeit von Stokes' Theorie gezeigt. Andererseits war Fresnels Mitführungskoeffizient sehr genau bestätigt worden, was nach damaliger Vorstellung im direkten Widerspruch zum Ergebnis des MM-Versuchs stand.[27]

Vom Äther zur Relativitätstheorie

Ausgangssituation

Um die verwirrenden Experimentalergebnisse zur erklären, wurde eine andere Variante der vollständigen Äthermitführung von Theodor des Coudres und Wilhelm Wien (1898) vorgeschlagen. Die Äthermitführung sollte hier proportional der Masse bzw. der Gravitation der Körper erfolgen.[28] Bei großen Massen wie der Erde würde die Mitführung daher vollständig sein, was die negativen Ergebnisse von auf der Erde ruhenden Experimentalanordnungen wie dem Michelson-Morley-Experiment (1887) erklärt. Andererseits können auch die positiven Ergebnisse von auf der Erde bewegten Anordnungen erklärt werden − wie beim Fizeau-Experiment (1851) oder beim Sagnac-Effekt (1913), da die Gravitationswirkung der dabei benutzten Instrumente nicht ausreicht um den Äther mitzuführen. Aber auch hier ergeben sich die gleichen Aberrationsprobleme wie bei Stokes. Wie dann (allerdings sehr viel später) Georg Joos (1934) ausführte, widerspricht eine vollständige Mitführung durch die Erde dem positiven Ergebnis des Michelson-Gale-Experiments (1925), das eine Variante der Sagnac-Experimente darstellt.[29] Hier wurde versucht, die Rotation der Erde selbst zu messen, d.h. im Gegensatz zu den üblichen Sagnac-Experimenten ruht die Anordnung auf der Erde, und deshalb wäre bei einer vollständigen Mitführung ein positives Ergebnis nicht zu erwarten, denn es ist kaum denkbar, dass der Äther zwar von der Translation, nicht jedoch von der Rotation der Erde beeinflusst werden sollte.[30] Und tatsächlich spricht auch Michelson selbst nur von einer Bestätigung der Theorien, wo die Lichtgeschwindigkeit unabhängig von der Bewegung der Umgebung ist, wie beim ruhenden Äther als auch der Speziellen Relativitätstheorie.

Da die Idee des vollständig mitgeführten Äthers zu vielen Schwierigkeiten ausgesetzt war, musste entweder Fresnels Theorie des (annähernd) ruhenden Äthers modifiziert werden oder der Äthergedanke überhaupt verworfen werden. Letzteres wurde mit Ausnahmen wie Emil Cohn (1901) oder Alfred Bucherer (1903) kaum in Betracht gezogen, da eine Elektrodynamik ohne klassischen Äther für die meisten undenkbar schien. Deswegen behielt die überwiegende Mehrheit der Physiker den Äthergedanken bei, und stellte neue Hypothesen auf, um die auf den ersten Blick widersprüchlichen Resultate wie den Fizeau- und Michelson-Morley-Versuch zu erklären. Auch Albert Einstein versuchte in jungen Jahren (1894/1895)[31] den Äther in seine Überlegungen einzubeziehen, jedoch mündeten diese Bemühungen 1905 dann doch in der Verwerfung des Äthergedankens.[32]

Lorentzscher Äther

Die Lorentzsche Äthertheorie, die hauptsächlich zwischen 1892 und 1906 von Hendrik Antoon Lorentz und Henri Poincaré entwickelt wurde, beruhte auf der Weiterentwicklung von Fresnels Äthertheorie, den Maxwell-Gleichungen und der Elektronentheorie von Rudolf Clausius. Lorentz führte eine strikte Trennung zwischen Materie (Elektronen) und Äther ein, wobei in seinem Modell der Äther völlig unbewegt ist und von bewegten Körpern auch nicht mitgeführt wird. Bei dieser Variante eines abstrakten elektromagnetischen Äthers wird aber auf eine mechanische Erklärung im Sinne der älteren mechanischen Äthermodelle verzichtet. Max Born identifizierte den Lorentz-Äther dann überhaupt mit dem absoluten Raum Isaac Newtons. Der Zustand dieses Äthers kann im Sinne der Maxwell-Lorentzschen Elektrodynamik durch das elektrische Feld E und das magnetische Feld H beschrieben werden, wobei diese Felder als von den Ladungen der Elektronen verursachte Anregungszustände bzw. Vibrationen im Äther aufgefasst wurden. Im Gegensatz zu Clausius, der annahm, dass die Elektronen durch Fernwirkung aufeinander wirken, tritt als Vermittler zwischen den Elektronen ebendieses elektromagnetische Feld des Äthers auf, in dem sich Wirkungen maximal mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten können. Lorentz konnte mit seiner Theorie beispielsweise den Zeeman-Effekt theoretisch erklären, wofür er 1902 den Nobelpreis erhielt. Erwähnt sei, dass Joseph Larmor gleichzeitig mit Lorentz eine ähnliche Elektronen- bzw. Äthertheorie entwarf, welche jedoch auf einem mechanischen Äther beruhte.[33][34][35][36][37]

In der Lorentzschen Äthertheorie (wie auch in der Theorie von Larmor) wird der Widerspruch zum Michelson-Morley-Experiment über die Einführung von Lorentztransformationen aufgelöst. Dabei werden jedoch die Längenkontraktion und Zeitdilatation als Prozesse verstanden, denen relativ zu einem Äther bewegte Maßstäbe und Uhren unterworfen sind, während Raum und Zeit unverändert bleiben. Damit werden diese Effekte als asymmetrisch betrachtet, das heißt, bewegte Maßstäbe sind tatsächlich kürzer und Uhren gehen tatsächlich langsamer. Ein bewegter Beobachter schätzt ruhende Maßstäbe zwar in identischer Weise als kürzer und ruhende Uhren als langsamer ein, diese Einschätzung wird jedoch als Täuschung interpretiert, da sie der bewegte Beobachter unter Verwendung verfälschter Maßstäbe und Uhren gewinnt. Die Symmetrie der Beobachtungen und damit die offensichtliche Gültigkeit des besonders von Poincaré hervorgehobenen, phänomenologischen Relativitätsprinzips wird als Folge einer eher zufälligen Symmetrie der zugrunde liegenden dynamischen Prozesse interpretiert. Sie verhindert jedoch die Möglichkeit, die eigene Geschwindigkeit relativ zum Äther zu bestimmen, und macht ihn damit zu einer prinzipiell unzugänglichen Größe in der Theorie.

Spezielle Relativitätstheorie

Siehe auch: Geschichte der speziellen Relativitätstheorie

In der speziellen Relativitätstheorie (SRT) gelang es Einstein, die Lorentztransformation und die anderen Teile der Theorie alleine aus der Annahme von zwei Prinzipien, nämlich dem Relativitätsprinzip und der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit, abzuleiten. Diese Prinzipien wurden zum Teil auch von Poincaré und Lorentz verwendet, jedoch erkannten sie nicht, dass sie auch ausreichend sind, um ohne Benutzung eines Äthers oder irgendwelcher angenommener Eigenschaften der Materie eine geschlossene Theorie zu begründen. Genau dies ist aber eine der bedeutendsten Schlussfolgerungen Einsteins:[32]

„Die Einführung eines "Lichtäthers" wird sich insofern als überflüssig erweisen, als nach der zu entwickelnden Auffassung weder ein mit besonderen Eigenschaften ausgestatteter "absoluter Raum" eingeführt, noch einem Punkte des leeren Raumes, in welchem elektromagnetische Prozesse stattfinden, ein Geschwindigkeitsvektor zugeordnet wird.“

In der SRT sind nun Längenkontraktion und Zeitdilatation eine Folge der Eigenschaften von Raum und Zeit und nicht von materiellen Maßstäben und Uhren. Die Symmetrie dieser Effekte ist daher kein Zufall, sondern eine Folge der Gleichwertigkeit der Beobachter, die als Relativitätsprinzip der Theorie zugrunde liegt. Alle Größen der Theorie sind experimentell zugänglich.

Von diesen Prinzipien ausgehend konnte Einstein dann auch die Äquivalenz von Masse und Energie ableiten. Eine beträchtliche Erweiterung der Theorie bildete Hermann Minkowskis (1907) Ausarbeitung der von Poincaré (1906) vorgetragenen Idee eines vierdimensionalen Raumzeitkontinuums. Dies alles mündete später unter Einbeziehung weiterer Prinzipien in die Allgemeine Relativitätstheorie.

Gravitationsäther

Hauptartikel: Mechanische Erklärungen der Gravitation

Der Äther wurde auch bei dem Versuch benutzt, das Gravitationsgesetz durch Zuhilfenahme grundlegender mechanischer Prozesse wie z. B. Stöße zu erklären, ohne auf das Konzept der Fernwirkung zurückgreifen zu müssen.[38][39][40]

Nicolas Fatio de Duillier (1690) und Georges-Louis Le Sage (1748) schlugen mit der Le-Sage-Gravitation ein Korpuskelmodell vor und benutzten dabei einen Abschirmungs- oder Abschattungsmechanismus. Ein ähnliches Modell wurde von Hendrik Antoon Lorentz entwickelt, welcher jedoch elektromagnetische Strahlen statt Korpuskeln verwendete. René Descartes (1644) und Christiaan Huygens (1690) benutzten Ätherwirbel zur Erklärung der Gravitation. Robert Hooke (1671) und James Challis (1869) nahmen an, dass jeder Körper Wellen in alle Richtungen emittiert und diese Wellen die anderen Körper anziehen. Isaac Newton (1675) und Bernhard Riemann (1853) schlugen Ätherströme vor, welche in Richtung der Körper strömen und die anderen Körper mitreißen. Wiederum Newton (1717) und Leonhard Euler (1760) schlugen ein Modell vor, in welchem der Äther in der Nähe von Körpern an Dichte verliert, was zu einer Anziehungskraft zwischen diesen führen soll. Lord Kelvin (1871) und Carl Anton Bjerknes (1871) entwarfen ein Modell, in welchem jeder Körper den umgebenden Äther in Pulsation versetzt, und versuchten damit auch die elektrischen Ladungen zu erklären. Diese Modelle konnten sich jedoch nicht durchsetzen und werden auch heute nicht mehr als brauchbare Erklärungen der Gravitation angesehen.

Das derzeitige Standardmodell zur Beschreibung der Gravitation ohne Fernwirkung ist die Allgemeine Relativitätstheorie (ART). Dabei sagte Einstein selbst in einer Rede (1920), dass im Rahmen der ART der Raum nicht ohne Gravitationspotential gedacht werden könne, und damit dem Raum selbst physikalische Qualitäten anhafteten. Deswegen könne man von einem „Gravitationsäther“ im Sinne eines „Äthers der Allgemeinen Relativitätstheorie“ sprechen. Dieser sei jedoch von allen mechanischen Äthermodellen bzw. dem Lorentzschen Äther grundverschieden, da auf ihn der Bewegungsbegriff nicht angewendet werden könne. Einstein schrieb :[41]

„Indessen lehrt ein genaueres Nachdenken, daß diese Leugnung des Äthers nicht notwendig durch das spezielle Relativitätsprinzip gefordert wird. ... Nach der allgemeinen Relativitätstheorie ist der Raum mit physikalischen Qualitäten ausgestattet; es existiert also in diesem Sinne ein Äther. Gemäß der allgemeinen Relativitätstheorie ist ein Raum ohne Äther undenkbar; denn in einem solchen gäbe es nicht nur keine Lichtfortpflanzung, sondern auch keine Existenzmöglichkeit von Maßstäben und Uhren, also auch keine räumlich-zeitlichen Entfernungen im Sinne der Physik. Dieser Äther darf aber nicht mit der für ponderable Medien charakteristischen Eigenschaft ausgestattet gedacht werden, aus durch die Zeit verfolgbaren Teilen zu bestehen; der Bewegungsbegriff darf auf ihn nicht angewendet werden.“

Doch der Ausdruck Äther wurde von Einstein nur gelegentlich verwendet und konnte sich nicht durchsetzen, da es sich hier im Grunde nur um eine andere Bezeichnung für das Gravitationsfeld der ART handelt.

Deutsche Physik

Der Ätherbegriff wurde später auch im Rahmen der Deutschen Physik benutzt bzw. aus ideologischen Gründen missbraucht. Es wurde hier nämlich eine mechanische und vor allem anschauliche Begründung der Physik gefordert. So sprach Philipp Lenard (1923) von dem Äther, welcher von der Erde mitgeführt wird, und vom „Uräther“, welcher von der Erdbewegung unbeeinflusst sein soll. Damit glaubte Lenard, sowohl das (scheinbare) Relativitätsprinzip als auch die Gravitation erklären zu können.[42] Diese Theorie konnte sich jedoch nicht einmal in Kreisen der Deutschen Physik durchsetzen, was im Münchner Religionsgespräch, bei dem eine gewisse Annäherung zur Relativitäts- und Quantentheorie erreicht wurde, besonders zum Ausdruck kam.

Äther und moderne Physik

Neben den erwähnten Ansätzen Einsteins bezüglich der ART versuchten auch andere Physiker den Ätherbegriff in die moderne Physik zu übertragen. Z.B. formulierte Herbert E. Ives eine lorentzsche Interpretation der SRT.[43] Paul Dirac interpretierte für einige Zeit den von ihm postulierten Dirac-See als quantenmechanischen Äther.[44][45] Jedoch konnten sich diese Formulierungen allesamt nicht durchsetzen.

Weil der Äther schon seit Jahrzehnten als wissenschaftlicher Irrtum gilt, wird er in den meisten modernen Lehrbüchern kaum oder überhaupt nicht erwähnt. In Ausnahmsfällen wird jedoch die gegenwärtig an Universitäten meist vertretene Lehrmeinung ziemlich deutlich zum Ausdruck gebracht. Beispielhaft dafür sind die vielen Aussagen und Bemerkungen[46] im „Gerthsen“, einem weit verbreiteten deutschen Kompendium der Physik, auch in der neuesten Auflage aus dem Jahr 2006.

Es gibt jedoch Phänomene, welche von manchen Physikern immer noch als Analogien zum Ätherbegriff gesehen werden. In seiner Nobelpreisrede (2006)[47] erwähnte George F. Smoot, dass das Bezugssystem, in dem die kosmische Mikrowellenstrahlung isotrop ist, als Äther bezeichnet werden könnte („Neue Ätherdrift Experimente“). Smoot stellte jedoch klar, dass hier kein Widerspruch zur SRT und dem Michelson-Morley-Experiment vorliegt, da die Bevorzugung dieses Bezugssystems nur zur Vereinfachung der Beschreibung der Expansion des Universums erfolgt. Meinungen außerhalb des wissenschaftlichen Mainstreams werden weiterhin von den Nobelpreisträgern Robert B. Laughlin und Frank Wilczek vertreten, wonach auch in der modernen Physik - vor allem mit Blick auf das Quantenvakuum - von einem Äther gesprochen werden kann.[48][49]

Andere Ätherbegriffe

In der Funkersprache und Nachrichtentechnik schlägt sich das Bild des Äthers noch bis heute in bestimmten Begriffen nieder. Beispielsweise spricht man weiterhin von „Nachrichtenübertragung über den Äther“. Weiterhin gibt es z. B. ein wichtiges Kommunikationssystem namens Ethernet, wo alle Teilnehmer über denselben Datenbus verbunden sind, in Analogie zu Himmelskörpern oder Elementarteilchen, die alle über denselben Äther wechselwirken.

Quellen

  1. Descartes, R.: Dioptrique, Les Météores. In: Discours de la méthode. 1637. 
  2. Hooke, R.: Micrographia. 1667. 
  3. Huygens, C.: Abhandlung über das Licht. Thun, 1690/1996, ISBN 3-8171-3020-1. 
  4. Newton, I.: Opticks, 4th edition. William Innys, St. Pauls 1730. 
  5. Young, T.: Experiments and Calculations relative to physical Optics. In: Phil. Trans. Roy. Soc.. 94, Nr. 1, 1804, S. 1-14. 
  6. Fresnel, A.: . In: Annales de chimie et de physique. 2, 1816, S. 239. 
  7. Siehe dazu auch die Diskussion in: "Der quasielastische Körper als Äthermodell" – Abschnitt 15 von Kapitel III in: Mechanik der deformierbaren Medien von Arnold Sommerfeld. - 5. Aufl. / bearbeitet und ergänzt von Erwin Fues und Ekkehart Kröner - Leipzig : Geest & Portig, 1964. (Vorlesungen über Theoretische Physik ; Band 2, Ed.5) S. 96 ff
  8. Whittaker History of the theories of ether and electricity, 1910, S.289, 295, und zu MacCulloghs Theorie von 1839, speziell S.154f (oder in Bd.1 der 2. Auflage: S. 260, 265 bzw. speziell 142f)
  9. Gesamter Originaltext von Maxwells Eintrag über den Äther in der Encyclopædia Britannica, Ninth Edition
  10. Zitiert und im historischen Zusammenhang dargestellt in: Leonard Mlodinow: Das Fenster zum Universum. Eine kleine Geschichte der Geometrie (Original: Euclid's Window), Campus Verlag 2002, ISBN 3-593-36931-1 - Teil 4, "Die Geschichte von Einstein", Seiten 171-177.
  11. Maxwell, J.C.: A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field. In: Philosophical Transactions of the Royal Society of London. 1864, S. 459-512. 
  12. Maxwell, J.C: On Physical Lines of Force. In: W. D. Niven (Hrsg.): The scientific papers of James Clerk Maxwell. 1, Campbridge University Press, 1890, S. 451-513. 
  13. Shmuel Sambursky: Der Weg der Physik : 2500 Jahre physikalischen Denkens, Texte von Anaximander bis Pauli - Zürich ; München : Artemis, 1975 - Maxwell's Theorie der Molekularwirbel, S. 553-560, Abb. Die Molekularwirbel des Äthers
  14. Maxwell, J.C: A Treatise on electricity and magnetism. 1, Macmillan & Co., London 1873. 
  15. Maxwell, J.C: A Treatise on electricity and magnetism. 2, Macmillan & Co., London 1873. 
  16. Wittaker 1910, Kap. 9
  17. Gesammelte Werke, Bd.1., Leipzig 1895, S. 339.
  18. Born, S. 166-172, Literatur
  19. Poincaré, Henri: Wissenschaft und Hypothese. Berlin: Xenomos 1902/2003, ISBN 3-936532-24-9.
  20. Arago, A.: Mémoire sur la vitesse de la lumière, lu à la prémière classe de l’Institut, le 10 décembre 1810. In: Comptes Rendus de l’Académie des Sciences. 36, 1810/1853, S. 38-49. 
  21. Fresnel, A.: Lettre d’Augustin Fresnel à François Arago sur l’influence du mouvement terrestre dans quelques phénomènes d’optique. In: Annales de chimie et de physique. 9, 1818, S. 57–66. 
  22. Born, Kap. 10
  23. Fizeau, H.: Sur les hypothèses relatives à l’éther lumineux, et sur une expérience qui paraît démontrer que le mouvement des corps change la vitesse à laquelle la lumière se propage dans leur intérieu. In: Comptes Rendus. 33, 1851, S. 349–355. 
  24. Michelson, A. A., Morley, E.W.: Influence of Motion of the Medium on the Velocity of Light]. In: American Journal of Science. 31, 1886, S. 377–386. 
  25. Stokes, G. G.: On the Aberration of Light. In: Philosophical Magazine. 27, 1845, S. 9-15. 
  26. Lorentz, Hendrik Antoon: Weiterbildung der Maxwellschen Theorie. Elektronentheorie.. In: Encyclopädie der mathematischen Wissenschaften. 5, Nr. 2, 1904, S. 145-288
  27. Michelson, A. A., Morley, E.W.: On the Relative Motion of the Earth and the Luminiferous Aether. In: American Journal of Science. 34, 1887, S. 333-345. 
  28. Wilhelm Wien: Über die Fragen, welche die translatorische Bewegung des Lichtäthers betreffen (Referat für die 70. Versammlung deutsche Naturforscher und Aerzte in Düsseldorf, 1898). In: Annalen der Physik (Beilage). 301, Nr. 3, 1898, S. I-XVIII.
  29. Michelson, A. A.; Gale, Henry G.: The Effect of the Earth's Rotation on the Velocity of Light, II.. In: Astrophysical Journal. 61, 1925, S. 140. doi:10.1086/142879.
  30. Joos, Georg; Lehrbuch der theoretischen Physik, 12. Auflage 1959, Seite 448
  31. "Der elektrische Strom setzt bei seinem Entstehen den umliegenden Äther in irgend eine, bisher ihrem Wesen nach noch nicht sicher bestimmte, momentane Bewegung." - Albert Einstein, 1894 oder 1895, "Über die Untersuchung des Ätherzustandes im magnetischen Felde", Faksimile in Physikalische Blätter, Heft 9, Jahrgang 27
  32. a b Einstein, A.: Zur Elektrodynamik bewegter Körper. In: Annalen der Physik. 17, 1905, S. 891-921. . Siehe auch Wikibook, kommentiert und erläutert
  33. Lorentz, H.A.: Versuch einer theorie der electrischen und optischen erscheinungen in bewegten Kõrpern. E.J. Brill, Leiden 1895. 
  34. Lorentz, H.A.: Electromagnetic phenomena in a system moving with any velocity smaller than that of light. In: Proc. Roy. Soc. Amst.. 1904, S. 809-831. 
  35. Larmor, J.: On a Dynamical Theory of the Electric and Luminiferous Medium. In: Phil. Trans. Roy. Soc.. 190, 1897, S. 205-300. 
  36. Poincaré, H.: Sur la dynamique de l'électron. In: Comptes rendus de l'Académie des sciences. 140, 1905b, S. 1504-1508. 
  37. Poincaré, H.: Sur la dynamique de l'électron. In: Rendiconti del Circolo matematico Rendiconti del Circolo di Palermo. 21, 1906, S. 129-176.  Teilweise englische Übersetzung in Dynamics of the electron.
  38. Taylor, W. B.: Kinetic Theories of Gravitation. In: Smithsonian report. 1876, S. 205-282. 
  39. Drude, P.: Ueber Fernewirkungen. In: Beilage zu den Annalen der Physik und Chemie. 62, Neue Folge, Heft 1, 1897, S. I-XLIX. 
  40. Zenneck, J.: Gravitation. In: Encyklopädie der mathematischen Wissenschaften mit Einschluss ihrer Anwendungen. 5, Nr. 1, Leipzig 1903, S. 25-67. 
  41. Einstein, A.: Äther und Relativitätstheorie Rede, gehalten am 5. Mai 1920 an der Reichs-Universität Leiden. Springer, Berlin 1920. 
  42. Lenard, P.: Über die Lichtfortpflanzung im Himmelsraum. In: Annalen der Physik. 1923, S. 89-104. 
  43. Ives, H.E., Revisions of the Lorentz transformations. Proc. Amer. Phil. Soc. 95: 125
  44. P.A.M. Dirac. Is there an Aether? Nature, 168:906-7, 1951.
  45. P.A.M. Dirac. The Stellung des Aethers in the Physik. Naturwissenschaftliche Rundschau, 6:441-6, 1953, -
    Englische Version: P.A.M. Dirac. Quantum mechanics and the aether. The Scientific Monthly, 78:142-6, 1954.
  46. In der der 23. Auflage (2006) von Gerthsen Physik siehe insbesondere die Seiten 127 177, 297, 447, 504, 519, 609, 677, 669, 913, 914
  47. Smoot, G. F.; (2006), Nobelpreisrede: Cosmic Microwave Background Radiation Anisotropies: Their Discovery and Utilization
  48. Robert B. Laughlin Abschied von der Weltformel, 10. Kapitel: "Das Gewebe der Raumzeit", Seite 184-192, Piper Verlag, September 2007, ISBN 978-3492047180 - Für Zitates aus dem Buch siehe Wikiquote:Äther oder Wikiquote:Robert B. Laughlin.
  49. Frank Wilczek: Lightness of being: mass, ether, and the unification of forces - 8. Kapitel: "The Grid (Persistence of Ether)" Seite 73-111 und im Glossary, Seite 228. New York : Basic books, 2008. - ISBN 978-0-4650-0321-1 - Für Zitates aus dem Buch siehe Wikiquote:Äther oder Wikiquote:Frank Wilczek.

Literatur

  • Darrigol, Olivier: Electrodynamics from Ampére to Einstein. Oxford: Clarendon Press 2000, ISBN 0198505949
  • Kenneth F. Schaffner: Nineteenth-century aether theories, Oxford : Pergamon Press, 1972. (enthält Wiedergabe mehrerer Originalarbeiten berühmter Physiker)
  • Born, M. Die Relativitätstheorie Einsteins, Springer 2003, Berlin-Heidelberg-New York, ISBN 3-540-00470-x
  • James Clerk Maxwell: Ether. In: Encyclopædia Britannica Ninth Edition. 8, 1878, S. 568 - 572

Siehe auch

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