Physiknobelpreis 1907: Albert Abraham Michelson

Physiknobelpreis 1907: Albert Abraham Michelson

 

Der Amerikaner erhielt den Nobelpreis für die Entwicklung seiner »optischen Präzisionsinstrumente und seine damit ausgeführten spektroskopischen und metrologischen Arbeiten«.

 

 Biografie

 

Albert Abraham Michelson, * Strełno (Polen) 19. 12. 1852, ✝ Pasadena (Kalifornien) 9. 5. 1931; ab 1883 Professor der Physik an der Case School in Cleveland, ab 1890 in Worcester, 1892-1929 in Chicago, gleichzeitig Vorstand des Ryerson Physics Laboratory; arbeitete über Interferenzerscheinungen, entwickelte Interferometer und wies die Unabhängigkeit der Lichtgeschwindigkeit von der Erdbewegung nach.

 

 Würdigung der preisgekrönten Leistung

 

In den ersten Jahren der Nobelpreisverleihung war die Auslegung des Testaments von Alfred Nobel noch in manchen Punkten strittig, doch ein unwidersprochenes Kriterium war der Nutzen der auszuzeichnenden Leistungen für die Menschheit. Auch deswegen blieb bei der Verleihung des Preises an Michelson, dessen Verdienst im Nachweis der Unabhängigkeit der Lichtgeschwindigkeit von der Erdbewegung liegt, diese für die spätere Relativitätstheorie so wichtige Erkenntnis unerwähnt.

 

Aufgewachsen in Nevada und Kalifornien wurde Michelson 1869 in die Marineschule Annapolis aufgenommen, die er 1873 mit der Beförderung zum Leutnant zur See abschloss. Nach zweijährigem Dienst in der Karibik erhielt er einen Lehrauftrag an der Marineschule, wo er sich mit Aufgaben der Experimentalphysik befasste. So bestimmte er die Lichtgeschwindigkeit nach der von Jean Foucault 1862 angegebenen Drehspiegelmethode, die eine Verschiebung des ausgeblendeten Lichtstrahls um 0,7 Millimeter ergab. Michelson konnte sie wesentlich verbessern, indem er die Verschiebung auf 133 Millimeter erhöhte und den bis dahin genauesten Wert für die Lichtgeschwindigkeit erzielte.

 

 Leistungen für Physik und Astronomie

 

Michelson wurde für die Entwicklung von optischen Präzisionsinstrumenten geehrt. Durch seine Anwendung der Interferenzerscheinungen konnten nun Längen in Einheiten von Lichtwellenlängen angegeben und Genauigkeiten erzielt werden, die eine 20- bis 100fache Steigerung gegenüber den bis dahin besten Mikroskopen brachten. Bei dieser Präzision wurden Längen mit einer Genauigkeit von 1/50 der Lichtwellenlänge beziehungsweise 1/100 000 Millimeter gemessen. Damit konnte Michelson 1893 die internationale Norm des Meters als das 1 553 393fache der Wellenlänge der roten Spektrallinie von Cadmiumdampf neu festgelegen.

 

Der Michelson-Interferometer kombiniert einen Lichtstrahl durch Spiegelung mit sich selbst. Eine Verschiebung der Teilwellen gegeneinander ergibt bei der Überlagerung eine Aufhellung oder Vernichtung der beobachteten Interferenzstreifen, womit sich eine Längenänderung um eine halbe Lichtwellenlänge nachweisen lässt. Das Auflösungsvermögen verbesserte er wesentlich durch die zusätzliche Verwendung des von ihm entwickelten Stufengitters — bestehend aus treppenförmig aufeinander geschichteten Glasplättchen gleicher Dicke. Dass mit dem Interferometer die Durchmesser von entfernten leuchtenden Himmelskörpern gemessen werden können, zeigte Michelson bereits 1890 für die Jupitermonde.

 

Drei Jahre zuvor hatte Michelson zusammen mit Edward W. Morley, einem Kollegen aus der physikalischen Chemie, jenes Experiment unternommen, das einen tief greifenden Einfluss auf das physikalische Weltbild haben sollte. Gestützt auf aus der mechanischen Wellenlehre übernommene Vorstellungen nahm man an, dass Licht sich nur in einem Trägerstoff, dem Lichtwellenäther, ausbreiten könne. Licht, das sich in einem bewegten Bezugssystem in Fahrtrichtung fortbewege, zeige demnach eine erhöhte Geschwindigkeit; in der Gegenrichtung würde es entsprechend verlangsamt. Das Prinzip war vom Verhalten der Schallwellen als Dopplereffekt bekannt, bei dem die relative Bewegung des schalltragenden Mediums (zum Beispiel Luft) ebenfalls eine Rolle spielt. Ist die Messapparatur feststehend gedacht, so kann man sich den Äther als bewegt vorstellen: Der »Ätherwind« entsteht. Da eine nur geringe Änderung der Lichtgeschwindigkeit erwartet wurde, war ein Experiment hoher Genauigkeit gefordert. Nun war bekannt, dass die Erde mit der beträchtlichen Bahngeschwindigkeit von 108 000 km/h um die Sonne kreist, und dieser Umstand hat sich zur Untersuchung der Relativbewegung gegen ein fest stehendes Weltall empfohlen.

 

Die Messung wurde mithilfe des Michelson-Interferometers verwirklicht, wobei ein in der Erdbahn reflektierter Strahl mit dem in der Querrichtung verglichen wurde. Die Versuchsanordnung war auf einer Steinplatte montiert, die frei drehbar in einem Quecksilberbad schwamm. Durch Drehung des Apparats relativ zur Erdbahn sollte sich aus der Änderung der Interferenzstreifen die Änderung der Lichtgeschwindigkeit ermitteln lassen. Das unerwartete Ergebnis des Versuchs war, dass die Lichtgeschwindigkeit unverändert blieb — das wohl berühmteste physikalische Experiment mit einem Nullresultat.

 

 Messungen in lichtbrechenden Medien

 

In seinem Nobelvortrag erwähnte Michelson den Versuch zum Ätherwind nicht. Offenbar war sein Glaube an die Realität des Äthers noch nicht erschüttert. So ging er zunächst von der Annahme aus, dass der Äther in Erdnähe von der Erdoberfläche mitgeschleppt würde. Erst in größeren Höhen sei die relative Bewegung zwischen Erde und Weltraumäther wahrnehmbar. Die Relativitätstheorie hat hier Klarheit geschaffen und die Hypothese vom Lichtwellenäther widerlegt.

 

Schon lange hatte man ein Mitschwingen der lichtdurchlässigen Materie mit den Lichtwellen angenommen und damit die Lichtätherhypothese begründet. 1884 wandelten Michelson und Morley einen älteren Versuch von Armand Fizeau mit der Lichtfortpflanzung in fließendem Wasser ab und entdeckten, dass die Lichtgeschwindigkeiten in bewegtem und in ruhendem Wasser voneinander abwichen. Das spornte sie an, das Ätherexperiment zu wiederholen. Michelsons Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit in Schwefelkohlenstoff, einer stark brechenden Flüssigkeit, ergab einen Wert, der deutlich unter der Erwartung lag. Erneut stand man vor einem Rätsel, bis der Physiker Lord Rayleigh (Nobelpreis 1904) die Lösung fand.

 

Die durch die Versuchsführung bedingte Zerstückelung des Lichts in Wellenpakete begrenzter Länge führt zur Fortpflanzung der Welle mit der »Gruppengeschwindigkeit« der Pakete. Im Gegensatz dazu bewegen sich die Wellenberge einer unbegrenzten Welle mit der »Phasengeschwindigkeit« fort. In einem Stoff hoher Brechkraft muss die Gruppengeschwindigkeit unter der Phasengeschwindigkeit liegen. Auch für die Messung der Lichtgeschwindigkeit in der Luft erzeugt die Methode Wellenpakete und liefert daher ebenfalls eine Gruppengeschwindigkeit. Im Medium Luft unterscheiden sich die beiden Geschwindigkeiten aber nur wenig, sodass die Schwierigkeit dort nicht bemerkt wurde. Michelsons Methode misst die wahre (Phasen-) Geschwindigkeit einer ausgedehnten Lichtwelle eben nur im Vakuum, in dem beide Geschwindigkeiten identisch sind.

 

H. Stadelmaier