Michelson‑Morley, Äther, Relativität und Schwarzkörperstrahlung

Phänomen: Michelson‑Morley‑Experiment

Michelson‑Morley‑Experiment — Ziel war es, die Geschwindigkeit der Erde relativ zum Äther anhand von Lichtmessungen zu bestimmen. Die Forscher beobachteten, dass die Lichtgeschwindigkeit konstant ist und unabhängig von der Bewegung des Beobachters sowie der Bewegung der Lichtquelle. Das bedeutet, dass die Lichtgeschwindigkeit nicht vom Bezugssystem abhängt, was im Widerspruch zu den damals üblichen Vorstellungen von Bewegung stand.

Vision der klassischen Physik

Die Physiker des 19. Jahrhunderts nahmen an, dass sich Licht wie mechanische Wellen (ähnlich Schall) verhält. Aus dieser Analogie folgte die Notwendigkeit einer Substanz namens Äther: einem Medium, das den Raum füllt und alle Körper durchdringt. Man nahm an, der Äther könne keine träge Masse besitzen (da Licht sich durch ihn ausbreitet) und müsse dennoch elastische Eigenschaften besitzen, ähnlich Festkörpern, weil bei Licht Transversalschwingungen auftreten.

Erläuterung der modernen Physik: Spezielle Relativität

Die spezielle Relativitätstheorie von Einstein basiert auf zwei Postulaten:

• Die Gesetze der Physik sind in allen Inertialsystemen gleich.
• Die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum ist in allen Inertialsystemen konstant und unabhängig von der Geschwindigkeit der Quelle.

Aus dem ersten Postulat folgt, dass es kein bevorzugtes Bezugssystem (kein Äthersystem) für elektromagnetische Phänomene gibt und dass alle Inertialsysteme gleichwertige Beschreibungen physikalischer Vorgänge liefern. Das zweite Postulat legt die Universalkonstanz der Lichtgeschwindigkeit fest.

Neue Zweige der Physik: Relativität

Aus diesen Einsichten entwickelte sich die moderne Relativitätstheorie, die das Konzept des Äthers überflüssig machte und neue Sichtweisen auf Raum, Zeit und Bewegung lieferte.

Phänomen: Schwarzkörper‑Strahlung (thermische Strahlung)

Schwarzkörperstrahlung — Ein schwarzer Körper ist ein Körper, der alle auftreffende Strahlung vollständig absorbiert. Dadurch steigt seine Temperatur, bis er selbst Strahlung abgibt. Die abgestrahlte Strahlung hängt nur von der Temperatur ab, nicht von der Zusammensetzung des Körpers. Bei gewöhnlichen Temperaturen ist diese Wärme­strahlung für das menschliche Auge unsichtbar, daher erscheint der Körper schwarz. Mit steigender Temperatur ändert sich die Farbe: zuerst wird überwiegend infrarote Strahlung emittiert (nicht sichtbar), dann rötliche, bei noch höherer Temperatur weißliche und schließlich bläulich‑weiß.

Vision der klassischen Physik

Die klassische Physik sagte voraus, dass die abgestrahlte Energie mit abnehmender Wellenlänge unbeschränkt anwachsen würde. Dies führte zur sogenannten "UV‑Katastrophe": die Vorhersage, dass die Strahlungsenergie für sehr kurze Wellenlängen unendlich groß werden sollte, was experimentell nicht bestätigt wurde. (Zur Größenordnung: 1 eV ≈ 1,6×10^-19 J.)

Erläuterung der modernen Physik: Plancks Hypothese

Max Planck schlug folgende Hypothese vor: Die Atome oder Moleküle, die Strahlung emittieren, verhalten sich wie harmonische Oszillatoren. Jeder Oszillator absorbiert oder emittiert Strahlungsenergie in Form von diskreten Paketen, deren Größe proportional zur Schwingungsfrequenz f ist:

E₀ = h f, wobei h das Plancksche Wirkungsquantum ist (h ≈ 6,626×10^-34 J·s).

Demnach kann die gesamte von einem Oszillator freigesetzte oder absorbierte Energie nur ein ganzzahliges Vielfaches dieses Grundbetrags sein:

E = n E₀ = n h f (für n = 1, 2, 3, ...).

Diese Energiepakete werden Quanten genannt, wodurch die Energie der Oszillatoren quantisiert ist und n als Quantenzahl auftritt. Mit der Einführung dieses Quantisierungskonzepts erhielt Planck eine Formel, die die experimentell beobachtete Energieverteilung der Schwarzkörperstrahlung korrekt erklärt.

Neue Zweige der Physik: Quantenmechanik

Die Plancksche Hypothese war ein wesentlicher Ausgangspunkt für die Entwicklung der Quantenmechanik, die die Beschreibung der Mikrowelt grundlegend veränderte.