Äther (Physik)

Begriff und Bedeutung

Der Äther war eine hypothetische Substanz, die gegen Ende des 17. Jahrhunderts zunächst als Trägermedium für die Ausbreitung des Lichts angenommen wurde. Später sollte er auch elektromagnetische und gravitative Wirkungen vermitteln und damit Fernwirkung vermeiden. Häufig verstand man ihn als Träger aller physikalischen Vorgänge.

Das Konzept scheiterte jedoch: Mechanische Äthermodelle ließen sich nie vollständig mit den Maxwellschen Gleichungen vereinbaren. Der Äther sollte zugleich wie ein materieller Festkörper Lichtwellen tragen und Himmelskörpern praktisch keinen Bewegungswiderstand entgegensetzen. Experimente widersprachen sowohl einem ruhenden Äther als auch einer vollständigen Mitführung durch Materie. Die spezielle Relativitätstheorie beschreibt elektromagnetische Wellen ohne ein solches Medium; auch die relativistische Quantenelektrodynamik benötigt kein Trägermedium.

Vom Lichtmedium zur elektromagnetischen Theorie

In der Antike galt Äther bei Platon als „reinste Gattung der Luft“; Aristoteles ergänzte ihn als fünftes Element, die Quintessenz. Für die neuzeitliche Physik wurde vor allem die Frage wichtig, ob Licht ein Medium benötigt.

Descartes erklärte Licht 1637 durch Druck eng gepresster Lichtteilchen. Hooke beschrieb 1665 Licht als Pulse und Vibrationen in einem homogenen Medium. Huygens formulierte 1678–1690 eine vollständige Wellentheorie: Sein Lichtäther durchdringe feste Materie und den scheinbar leeren Weltraum und erkläre Reflexion und Brechung.

Thomas Young stärkte 1800–1804 die Wellentheorie durch Interferenz und das Doppelspaltexperiment. Er erklärte die Newtonschen Ringe und nahm 1817 Transversalwellen an, also Wellen mit einer Schwingung quer zur Ausbreitungsrichtung. Augustin Jean Fresnel entwickelte 1816–1819 eine optische Äthertheorie: Für Transversalwellen müsse sich der Äther wie ein elastischer Festkörper verhalten; im leeren Raum ruhe er, und Licht breitet sich in alle Richtungen gleich schnell aus.

Mit Faraday und besonders James Clerk Maxwell wurde der Äther zum vermuteten Träger elektromagnetischer Felder. Maxwells Gleichungen von 1861 bis 1864 verbanden Optik und Elektrodynamik; Lichtgeschwindigkeit galt als Grenzgeschwindigkeit relativ zum Äther. Mechanische Modelle, etwa Maxwells Molekularwirbel, konnten aber nur Teilaspekte darstellen und widersprachen sich teilweise. Heinrich Hertz wies 1888 die von Maxwell vorhergesagte endliche Ausbreitungsgeschwindigkeit elektromagnetischer Kräfte nach.

Ätherwind und experimentelle Schwierigkeiten

Ein mechanischer Äther müsste bewegten Körpern Widerstand leisten. Stokes schlug 1845 deshalb vor, der Äther verhalte sich bei schnellen Lichtschwingungen wie ein elastischer Festkörper, bei langsamen Bewegungen großer Körper aber wie eine Flüssigkeit. Andere Modelle erklärten sichtbare Materie als Anregung oder Wirbel des Äthers. Keines löste die Schwierigkeiten überzeugend.

Ein zentrales Problem war die Relativbewegung von Erde und Äther. Die Aberration des Lichts sprach nach Young und Fresnel gegen vollständige Äthermitführung. Fresnel erklärte das negative Arago-Experiment von 1810 durch partielle Mitführung in durchsichtigen Körpern. Sein Mitführungskoeffizient lautet φ = (1 − 1/n²)v, wobei v die Geschwindigkeit des Mediums und n sein Brechungsindex ist. Das Fizeau-Experiment von 1851 bestätigte diesen Koeffizienten; Michelson und Morley bestätigten ihn 1886 genauer. Die zugrunde liegenden Prozesse im Äther blieben dennoch ungeklärt.

Stokes nahm dagegen vollständige Mitführung durch die Erde an. Um dennoch Aberration und den Fresnelschen Koeffizienten zu erklären, musste er zusätzliche Annahmen über einen inkompressiblen und rotationsfreien Äther machen. Lorentz zeigte 1886, dass diese Bedingungen miteinander und mit den mechanischen Gesetzen unvereinbar sind.

Experimente erster Ordnung sollten Effekte der Größe v/c messen, v als Relativgeschwindigkeit Erde–Äther und c als Lichtgeschwindigkeit. Arago, Airy, Mascart, Hoek, Rayleigh und weitere fanden keine erwarteten Einflüsse der Erdbewegung auf Brechung, Polarisation oder Interferenz. Auch mehrere elektrodynamische Versuche ergaben negative Resultate.

Experimente zweiter Ordnung suchten Effekte der Größe v²/c². Das Michelson-Morley-Experiment von 1887 fand an der Erdoberfläche nur etwa 5–8 km/s statt der erwarteten 30 km/s und konnte dies nicht als Ätherwind deuten. Wiederholungen mit Lasern und Masern ergaben vollständige Nullresultate. Dayton Millers Werte von etwa 8–10 km/s wurden nicht bestätigt. Auch Trouton-Noble (1902), Rayleigh und Brace (1904), Trouton-Rankine (1908) sowie Kennedy-Thorndike (1932) lieferten Nullresultate. Versuche, dies durch gravitationsabhängige Äthermitführung zu retten, erzeugten erneut Aberrationsprobleme und widersprachen unter anderem dem positiven Michelson-Gale-Pearson-Experiment von 1925.

Lorentztheorie und spezielle Relativität

Hendrik Antoon Lorentz und Henri Poincaré entwickelten zwischen 1892 und 1906 eine Theorie eines völlig ruhenden elektromagnetischen Äthers. Materie bestand darin aus Elektronen, während elektrische und magnetische Felder als Zustände des Äthers galten. Wirkungen konnten sich höchstens mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten. Die Theorie erklärte beispielsweise den Zeeman-Effekt; Lorentz erhielt dafür 1902 den Nobelpreis.

Den Konflikt mit Michelson-Morley behandelte die Lorentzsche Äthertheorie durch Lorentztransformationen. Längenkontraktion und Zeitdilatation galten dort als tatsächlich eintretende, aber asymmetrische Veränderungen von relativ zum Äther bewegten Maßstäben und Uhren. Weil die Ätherbewegung prinzipiell nicht messbar war, blieb der Äther eine unzugängliche Größe.

Einstein leitete 1905 in der speziellen Relativitätstheorie die Lorentztransformation aus zwei Prinzipien ab: dem Relativitätsprinzip und der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit. Ein bevorzugter Bewegungszustand oder ein Lichtäther werden nicht benötigt. Längenkontraktion und Zeitdilatation sind Eigenschaften von Raum und Zeit; ihre Symmetrie folgt aus der Gleichwertigkeit der Beobachter. Die Theorie ermöglichte außerdem die Ableitung der Äquivalenz von Masse und Energie. Minkowski arbeitete 1907 die Idee eines vierdimensionalen Raumzeitkontinuums aus, die Poincaré 1906 vorgetragen hatte.

Gravitation und heutige Einordnung

Auch die Gravitation wurde zeitweise mit Äther erklärt: durch Abschattungskorpuskeln bei Fatio de Duillier und Le Sage, Ätherwirbel bei Descartes und Huygens, Wellen, Ströme oder Dichteunterschiede. Diese Modelle setzten sich nicht durch und gelten nicht als brauchbare Gravitationserklärungen.

Die 1915 vollendete Allgemeine Relativitätstheorie beschreibt Gravitation ohne Fernwirkung. Einstein verwendete später gelegentlich den Ausdruck „Äther der Allgemeinen Relativitätstheorie“ für Raum mit physikalischen Eigenschaften beziehungsweise das Gravitationsfeld. Dieser „Gravitationsäther“ ist aber kein stoffliches Medium: Er besteht nicht aus verfolgbaren Teilen, und auf ihn darf kein Bewegungsbegriff angewendet werden. Deshalb steht er nicht im Widerspruch zur Verwerfung des klassischen Lichtäthers. Der Begriff setzte sich in der Fachwelt nicht durch.

Einige spätere Übertragungen des Ätherbegriffs, etwa auf den Dirac-See oder das Quantenvakuum, wurden ebenfalls nicht allgemein übernommen. Das Bezugssystem, in dem die kosmische Mikrowellenstrahlung isotrop ist, kann nach George F. Smoot als Analogie bezeichnet werden, ist aber kein Widerspruch zur speziellen Relativitätstheorie: Es dient nur zur vereinfachten Beschreibung der Expansion des Universums. In der heutigen Physik gilt ein Äther mit einem ausgezeichneten Bewegungszustand als wissenschaftlicher Irrtum und spielt in der Fachwelt keine Rolle mehr.