Das Michelson-Interferometer

Interferometer sind optische Geräte, mit denen man aufgrund von Lichtinterferenzen kleine Abstände, Brechzahlunterschiede, Winkel oder Wellenlängendifferenzen sehr genau messen kann. Die Abbildung zeigt schematisch den Aufbau des sogenannten Michelson-Interferometers, das folgendermaßen funktioniert: Das Licht aus einer diffusen Quelle trifft auf die Glasplatte A, die einseitig dünn versilbert ist und als halbdurchlässiger Spiegel (Strahlteiler) wirkt. Ein Teil des Lichts (2) wird an A reflektiert, läuft auf den Spiegel S₂ zu, wird an diesem reflektiert und gelangt am Punkt O in das Auge des Betrachters. Der von A durchgelassene Strahl (1) durchläuft die Kompensatorplatte B. Diese hat die gleiche Dicke wie die Platte A, damit beide Teilstrahlen gleich dicke Glasschichten passieren. Der Strahl (1) läuft zum Spiegel S₁, wird dort reflektiert, gelangt zur Platte A und von dieser zum Auge am Punkt O. Der Spiegel S₁ ist fest, während sich der Abstand des Spiegels S₂ von A mit Hilfe einer Mikrometerschraube fein justieren läßt. Die beiden Strahlen (1) und (2) überlagern sich nach ihren Reflexionen im Punkt O und erzeugen dabei ein Interferenzmuster. Dessen Aussehen hängt von der relativen Orientierung der beiden Spiegel ab. In S₂ entsteht das Bild S´₁ des Spiegels S₁. Stehen die Ebenen beider Spiegel exakt senkrecht aufeinander und sind die Spiegel genau gleich weit von der Platte A entfernt, dann ist das Bild S´₁ deckungsgleich mit S₂. Stehen dagegen die Spiegelebenen nicht genau senkrecht aufeinander, schließt das Bild S₁ mit dem Spiegel S₂ einen kleinen Winkel ein und bildet mit diesem sozusagen einen „Luftkeil“. Das im Punkt O erscheinende Interferenzmuster ist das gleiche wie das an einer dünnen, keilförmigen Luftschicht. Wenn nun der Spiegel S₂ entlang der Strahlrichtung verschoben wird, so verändert sich das Interferenzmuster. Wenn man die Strecke kennt, um die der Spiegel S₂ verschoben wurde, kann man die Wellenlänge des Lichts bestimmen.

Michelson konstruierte um 1880 ein solches Interferometer und ermittelte mit ihm die Wellenlänge einer bestimmten Spektrallinie des Edelgases Krypton. In den 70er Jahren unseres Jahrhunderts wurde die SI-Einheit Meter als ein bestimmtes Vielfaches dieser Wellenlänge definiert.

Mit dem Michelson-Interferometer kann man beispielsweise auch die Brechzahl der Luft messen, die etwa 1,0003 beträgt, also sehr nahe bei 1 liegt.

Michelson benutzte sein Interferometer im Jahre 1887 auch gemeinsam mit Edward W. Morley für das berühmte Experiment zur Überprüfung der Ätherhypothese.

Bei der Behandlung von Wellenerscheinungen haben wir gesehen, daß alle mechanischen Wellen ein Medium benötigen, um sich ausbreiten zu können, und daß die Geschwindigkeit der Wellenbewegung ausschließlich durch die Eigenschaften des Mediums - Gas, Flüssigkeit oder Festkörper - bestimmt wird. (So hängt beispielsweise die Schallgeschwindigkeit in Luft von der Temperatur der Luft ab.) Darüber hinaus ist es bei mechanischen Wellen erlaubt, das jeweilige Medium relativ zur Wellenbewegung als ruhend anzusehen.

Wie sind die Verhältnisse bei Lichtwellen? Aufgrund der zahlreichen Untersuchungen, die seit Newton und Huygens zu optischen Interferenz-, Beugungs- und Polarisationsphänomenen gemacht worden waren, gelangte man Anfang des 19. Jahrhunderts zu der Überzeugung, Licht sei endgültig nicht als Teilchen-, sondern als Wellenerscheinung zu deuten. Wenn dem so war, dann lag es auf der Hand, daß Lichtwellen (allgemein: elektromagnetische Wellen) sich ebenfalls in einem Medium ausbreiten sollten. Diesem Medium gab man den Namen Äther. Der Äther sollte den ganzen Weltraum erfüllen und aus einem materiellen Stoff mit sehr ungewöhnlichen Eigenschaften bestehen. Seine Dichte beispielsweise müßte so klein sein, daß mechanische Körper bei ihrer Bewegung durch ihn keine Reibung erfahren. (Als Beweis für die praktisch vernachlässigbare Dichte des Äthers wurde die Bewegung der Planeten um die Sonne gesehen, die vollkommen ohne Reibung abläuft und ausschließlich durch das Newtonsche Gravitationsgesetz beschrieben werden kann.) Neben einer geringen Dichte schrieb man dem Äther noch eine extrem große Starrheit zu, um damit zum einen die hohe Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichts erklären zu können und zum anderen der Tatsache Rechnung zu tragen, daß Lichtwellen reine Transversalwellen sind. Eine weitere wichtige Grundlage des Äthermodells war, daß der Äther als ruhendes System angesehen wurde, auf das sich die Bewegungen sämtlicher Körper und Erscheinungen beziehen lassen sollten. Der Äther als absolutes Bezugssystem. Wenn sie stimmen sollte, so hätten sich daraus drastische Konsequenzen für die gesamte Physik ergeben. Daher war man an experimentellen Nachweisen dieser Hypothese besonders interessiert.

Nach der Maxwellschen Theorie des Elektromagnetismus ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Licht und anderen elektromagnetischen Wellen im Vakuum durch

gegeben. Die Maxwellschen Gleichungen liefern keine Aussage, in welchem Bezugssystem die Lichtgeschwindigkeit diesen Wert annimmt; man erwartete jedoch, daß c die Lichtgeschwindigkeit bezogen auf den Äther ist. Eine Messung der Lichtgeschwindigkeit in einem Bezugssystem wie der Erde, das sich relativ zum Äther bewegt, müßte daher ein größeres oder kleineres Ergebnis als c liefern, je nach Richtung der Bewegung relativ zum Lichtstrahl.

Voraussetzung war das sogenannte Newtonsche Relativitätsprinzip:

a)       Raum und Zeit sind absolut

b)       Alle relativ zu einem Inertialsystem gleichförmig bewegten Bezugssysteme sind ebenfalls Inertialsysteme und im Rahmen der Newtonschen Mechanik gleichwertig.

Ein Bezugssystem (manchmal auch Beobachtersystem genannt) ist, allgemein formuliert, ein System von materiellen Körpern und Mechanismen, beispielsweise Maßstäben und Uhren, mit deren Hilfe die Lage (d. h. die Koordinaten) anderer Körper zu einem bestimmten Zeitpunkt relativ zu den Maßstäben angegeben werden kann. Die Newtonsche Mechanik geht generell davon aus, daß Raum und Zeit absolut, räumliche Abstände und zeitliche Differenzen also unabhängig vom Bezugssystem sind. Im Bezugssystem eines Beobachters R₁ bleibt ein ruhender Massenpunkt, auf den keine äußeren Kräfte wirken, nach dem ersten Newtonscheu Axiom in Ruhe. Im Bezugssystem eines zweiten Beobachters R₂, der sich relativ zum ersten mit konstanter Geschwindigkeit bewegt, hat der kräftefreie Massenpunkt eine konstante Geschwindigkeit - in Übereinstimmung mit dem ersten Newtonschen Axiom. Bewegt sich R₂ allerdings nicht mit konstanter Geschwindigkeit relativ zu R₁, sondern beschleunigt er, so wird der Beobachter R₂ eine Beschleunigung des Massenpunktes sehen, obwohl keine äußeren Kräfte auf ihn einwirken. Das erste Newtonsche Axiom gilt in einem solchen Bezugssystem offensichtlich nicht. Bezugssysteme, in denen das erste Newtonsche Axiom gültig ist, heißen Inertialsysteme. Da das erste Newtonsche Axiom in keiner Weise zwischen einem ruhenden und einem sich gleichförmig bewegenden Massenpunkt unterscheidet, sind alle Bezugssysteme, die sich relativ zu einem Inertialsystem mit konstanter Geschwindigkeit bewegen, ebenfalls Inertialsysteme.

Es stellt sich die Frage, ob alle Inertialsysteme physikalisch gleichwertig sind oder ob sie sich durch geeignete physikalische Experimente unterscheiden lassen.