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Der Äther in der Naturwissenschaft

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André Waser

Der Äther ist aus der Geschichte der Naturwissenschaft nicht wegzudenken. Seit seiner Abschaffung vor bald Einhundert Jahren aus der orthodoxen Physik ist er trotzdem in den Köpfen vieler Naturforscher weiterhin vorhanden. Wird die moderne Schreibweise der Physik genauer unter die Lupe genommen so wird ersichtlich, daß der Äther in neuem Gewand längst wieder Einzug in die Physik genommen hat. Die Evolution der Äthertheorien wird in diesem Überblick näher beleuchtet.

 

Zwei Griechische Denker haben in der westlichen Welt Geschichte geschrieben, indem sie physikalische Kraftwirkungen beschrieben haben, welche bis anhin nicht in den Überlieferungen vorzufinden waren.

(ca. 900 v. Chr.) Magnus

Der Überlieferung nach läuft ein griechischer Schafhirte über ein Feld mit vielen schwarzen Steinen. Die eisernen Nägel seiner Sandalen wurden dabei langsam herausgedrückt und sein eiserner Hirtestab soll von den Steinen abgestoßen worden sein. Diese geheimnisvolle Kraft erhielt nach dessen Entdecker den Namen Magnetismus.

(ca. 600 v. Chr.) Thales von Milos

Das erste überlieferte Experiment mit statischer Elektrizität stammt von Thales von Milos. Er rieb ein Bernsteinstab (Bernstein heißt auf Griechisch Elektron) an einem Katzenfell und konnte anschließend mit dem Stab Hühnerfedern berührungsfrei vom Boden aufheben.

Der Äther

Seit dieser Zeit machten sich die Menschen des Abendlandes Gedanken über den Aufbau der Materie, des Raumes, des Lichtes und vieles mehr. So war es der Grieche Demokrit (ca. 440 v. Chr.), welcher das Konzept der kleinsten Bausteine (Atom) begründete, um den Aufbau der Materie und des Raumes zu erklären. Das atomistische Konzept von Demokrit ist der Ursprung verschiedenster Äthertheorien, von welchen bis heute nicht die letzte geschrieben worden ist.

Aufbauend auf dem Modell des Äthers ersannen die Forscher immer neue Mechanismen zur Beschreibung der Natur und erfanden letztlich auch die Maschinen. Doch alle Errungenschaften sind nicht denkbar ohne die Vorarbeit vieler Pioniere, Vordenker und Erfinder, welche in ihrem Denken über die Wirklichkeit eines gemeinsam hatten: Der alles durchdringende Äther. Die Struktur und die Eigenschaften dieses Äthers wird bei den einzelnen Forschern meist unterschiedlich beschrieben. Einige Pioniere der Ätherforschung werden anhand eines kurzen Streifzuges durch die Entwicklungsgeschichte dargestellt. Das Augenmerk wird insbesondere dorthin gelegt, wo früher schon versucht wurde, die elektromagnetischen oder gravitiven Kräfte sowie der Aufbau der Materie anders als auf Grund der heute geltenden Lehrmeinung zu betrachten.

Dabei ist die ätherfreie Formulierung der Physik noch nicht mal einhundert Jahre alt. Bis zum Beginn des zwanzigsten Jahrhunderts wurde der Äther als realer Bestandteil der Welt angesehen. Der Äther diente als anschauliches Modell für die Wechselwirkungen in Elektrizität, Magnetismus, Gravitation, Temperatur, usw. und hatte lange Zeit einen festen Platz im Weltbild der Wissenschaften. Dem aufmerksamen Leser wird es nicht entgehen, daß mit den heutigen Erkenntnissen der Physik der Äther längst durch verschiede Hintertüren wieder Einzug in die theoretischen Modelle genommen hat. Allerdings hat seine Bezeichnung gewechselt. Die häufigste Bezeichnung ist heute die Nullpunktstrahlung, die Strahlung also, welche im Vakuum bei Null Kelvin immer noch vorhanden ist.

Warum lehnt die heutige Wissenschaft einen Äther ab?

Geht man dieser Frage nach, so ist es sehr erstaunlich, wie wenig es gebraucht hat, um den Äther über Bord zu werfen. Eine einzige Annahme aus der Relativitätstheorie hat genügt, den Äther abzuschaffen: »Es gibt kein absolutes Bezugssystem.«

Was bedeutet das? Wie allgemein bekannt, ist der Hauptpfeiler der speziellen Relativitätstheorie die Annahme der absoluten Konstanz der Lichtgeschwindigkeit. Diese von Albert Einstein willkürlich getroffene Annahme erwies sich als sehr erfolgreich. Schon mit dieser Annahme und ein wenig Geometrie und einfacher Mathematik war es endlich möglich, die Formel E = m× c2 herzuleiten. Denn dieser Zusammenhang wurde vor Einstein schon von Lorentz und anderen vermutet, konnte aber bis dahin nicht durch eine einfache Herleitung bewiesen werden. (Der endgültige experimentelle Nachweis gelang erst mit dem Beginn der Kernspaltung.) Mit der Annahme der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit konnte auch die von Lorentz geforderte Längenverkürzung bei bewegten Körpern rein mathematisch hergeleitet werden. Lorentz selbst hat diesen Zusammenhang aus Betrachtungen eines bewegten Teilchens in einem Äther schon vorher vorausgesagt. [7]

Doch damit nicht genug. Denn wenn sich ja nichts schneller als das Licht bewegen darf, wie sieht dann ein sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegter Beobachter ein Körper, der ebenfalls mit Lichtgeschwindigkeit auf ihn zurast? Nun, wegen der zweiten Annahme der absoluten Konstanz der Lichtgeschwindigkeit darf auch die Summe nicht größer als die Lichtgeschwindigkeit werden, was zum Begriff der Zeitverschiebung von bewegten Körpern geführt hat. Mit all diesen Konsequenzen zweier Annahmen entstand ein völlig neues Bild von Raum und Zeit mit der Aussage, daß jedes bewegte System quasi seine eigene Zeit mitführt. Die Zeit war also nicht mehr absolut, nur die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum ist absolut. Und wenn es keine absolute Zeit mehr gibt, dann darf es auch kein System mehr geben, das als absolut betrachtet wird. Oder anders gesagt, es gibt kein einziges Koordinatensystem, bei dem auch nur eine Raum- und Zeitachse unabhängig von der Geschwindigkeit des Systems ist. Das Koordinatensystem, mit dem ja alle physikalischen Vorgänge gemessen werden, ist von der Eigengeschwindigkeit abhängig oder anders gesagt, nicht absolut. Ebenso ist es nicht möglich, irgend ein bewegtes System als höherwertigeres System zu bezeichnen, alle Systeme sind gleichwertig.

Dies hat dazu geführt, daß der Äther, der zuletzt als absolut ruhendes Medium betrachtet wurde (Lorentz), aufhören mußte zu existieren, denn sonst gäbe es ein ausgezeichnetes Bezugssystem, demgegenüber alle anderen bewegten Systeme nicht gleichberechtigt wären. Sehr dankbar wurde da von der Wissenschaft das schon vorher gemachte Experiment von Albert Michelson und Edward Morley herangezogen [7]. In diesem Experiment haben die beiden Wissenschaftler mit einer Spiegelanordnung gleichzeitig und mit demselben Lichtstrahl die Laufzeitunterschiede der Lichtstrahlen zwischen den Spiegelwänden gemessen, und zwar mit unterschiedlichen Positionen bezüglich der Bewegung der Erdoberfläche gegenüber. der Umlaufbahn. Damit sollte der Einfluß eines Äthers auf die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichtes gemessen werden. Doch zur Überraschung war die Lichtgeschwindigkeit in beiden Richtungen gleich groß.

Damit war der Äther im physikalischen Weltbild überflüssig und machte einer Disziplin Platz, die nicht als Naturwissenschaft gilt: die Mathematik. Der Siegeszug der Mathematik in der Naturwissenschaft konnte seit dieser Zeit bis in den heutigen Tag nicht mehr gebremst werden. Der Preis dafür ist, daß wir heute in der Physik anstelle von anschaulichen Modellen nur noch abstrakte mathematische Ableitungen finden. (So richtig extrem wird das allerdings erst in der Quantenphysik.)

Die ganze Sache mit der Lichtgeschwindigkeit hat eine erstaunlich schlechte experimentelle Abstützung. Beispielsweise ist es nicht möglich, die Lichtgeschwindigkeit nur in eine Richtung zu messen, so wie das bei der Radarmessung von Fahr- oder Flugzeugbewegungen gemacht wird. Man benötigt immer eine Hin- und Rückwärtsbewegung des Lichts und suchen dann nach Interferenzen. Der Grund ist einfach, wir kennen kein schnelleres Meßmittel als das Licht. Das heißt aber, wir messen die Lichtgeschwindigkeit selbst auch nur mit Licht. Ein anderes Beispiel: Wir können nachmessen, daß sich die Lichtgeschwindigkeit innerhalb eines bestimmten Fehlerbereichs überall auf der Erde und unabhängig von der Position der Erde auf ihrer Umlaufbahn um die Sonne immer als konstant zeigt. Wie können wir sicher beweisen, daß die Lichtgeschwindigkeit auch außerhalb unserer 'Reichweite', also außerhalb unseres Sonnensystems oder innerhalb atomarer Gebilde ebenfalls den gleichen Wert aufzeigen würde? Wir können es bis heute nicht, sondern wir vermuten es bloß auf Grund der physikalischen Modelle. Alle astronomischen und quantenphysikalischen Zahlenangaben basieren aber letztlich darauf, daß die Lichtgeschwindigkeit auch bis zu den am weitesten noch meßbaren Objekten immer konstant ist.

Relativitäts- und Quantentheorie

Heute ist es in der Physik üblich, mit immer noch gigantischeren Beschleunigern dem Wesen der Materie und der Kräfte auf die Spur zu kommen. Alle Anstrengungen sind voll auf die Materie konzentriert. Kräfte werden durch Austauschteilchen erklärt, die Energie wurde schon länger der Materie gleichgesetzt. Die Idee, daß alle physikalischen Vorgänge nur durch Teilchen und deren Wechselbeziehungen beschrieben werden können, hat ihren Ursprung in einem anderen Stützpfeiler der heutigen Naturwissenschaft: In der Quantenphysik. Der Beginn der Quantenphysik fällt fast mit dem Beginn der Relativitätstheorie zusammen und beide hatten ihren Ursprung beim Querdenker Albert Einstein.

Auch die Physik der Atome hatte dazumal eine bewegte Zeit. Die Bezeichnungen der Atommodelle änderten sich stets nach dem Namen des Physikers, der gewisse Eigenschaften von Atomen am besten mit einer neuen Theorie erklären konnte. Was war das Problem? Als man herausfand, daß auch die Atome, die Unteilbaren also, doch in Kerne und Elektronen aufgeteilt werden konnten, mußten entsprechende Modelle her, die das stabile Zusammenwirken von negativen Elektronen und positiven Kernen erklären konnten. Die zentrale Frage ist bis heute: «Was hindert das negative Elektron an dem Absturz auf den positiven Kern?» Das Bohr'sche Modell einer Elektron-Kern-Bewegung um den gemeinsamen Schwerpunkt konnte bald nicht mehr gehalten werden. Denn die allgemeine Relativitätstheorie brachte die Erkenntnis, daß beschleunigte Ladungen ständig Energie abstrahlen. Das kreisende Elektron würde zunehmends an Energie verlieren und unaufhaltsam auf den Kern stürzen. Doch wie wir alle wissen, tut es das nicht, sondern alle nicht radioaktiven Atome bleiben stabil.

Nun geschah wieder etwas, das zwar als Lösung der obigen Frage durchaus funktioniert, dessen Ursache aber völlig unerklärlich ist. Die Elektronen nämlich geben im Atom ihr Dasein als Teilchen auf und werden zur stehenden Welle rund um den Kern. Jeder stabile Energiezustand entspricht einer stehenden Welle. Das Elektron verzaubert sich quasi zu einer Welle. Diese Welle strahlt keine Energie mehr ab und nimmt auch keine Energie mehr auf, das Atom bleibt stabil. Und genau an diesem Punkt ist die Unvereinbarkeit der beiden mächtigen Pfeiler der Physik heute zu suchen. Wie ist es möglich, daß eine "Wirkung", welche weit außerhalb vom Kern den streng kausalen Gesetzen der Relativitätstheorie als Teilchen gehorcht, in der Nähe vom Kern diesen Gesetzen nicht mehr gehorcht und mehr einer stehenden Welle ähnlich sieht?

Die Aussagen und Konsequenzen der Quantentheorie sind wirklich sehr erstaunlich und haben in vielen Fällen zu völlig neuartigen Technologien, insbesondere in der Elektronik, geführt. Und das, ohne daß jemals das Wesen hinter der Quantenphysik verstanden wurde! Die Quantenphysik ist bis heute nur ein mathematisches Gebilde, ohne daß ein fundierteres, anschauliches Modell zugrunde liegt.

Die Vorzüge eines Mediums

Ein anschauliches Modell ist erst wieder möglich, wenn versucht wird, in der Naturwissenschaft die Existenz eines Mediums oder Äthers ernst zu nehmen. Es gibt keinen experimentellen Beweis, daß kein Äther existiert. Selbst Einstein hat oft erwähnt, daß mit dem Michelson/Morley Experiment nicht nachgewiesen werden kann, daß kein Äther existiert. (Es gibt mindestens fünf verschiedene Erklärungen für das Ergebnis dieses Experimentes.) Der Äther wurde nur überflüssig, weil neue physikalische Modelle diesen nicht mehr benötigt haben, und nicht, weil dessen Nicht-Existenz bewiesen werden konnte.

Es gibt immer mindestens zwei Arten, etwas zu beschreiben. Die eine Art zerlegt das zu untersuchende Objekt in immer kleinere Teile (Deduktionismus und Reduktionismus), die andere Art erklärt ein Objekt mit seinen Wechselwirkungen mit seiner Umgebung (Kybernetik und Holismus). Um ein Teilchen erklären zu können, kann es entweder immer weiter zerlegt werden (heute bis zu den Quarks), oder es kann als eine Summe von Wechselwirkungen mit der Umgebung betrachtet werden. In diesem Zusammenhang soll die Mathematik von Peter Plichta Erwähnung finden, der nicht mehr einen Punkt im Raum sondern den Raum um einen Punkt beschreibt [36]. Es ist durchaus möglich, daß mit der Hilfe dieses völlig neuen Ansatzes auch ein neues Verständnis für die Struktur des Raumes entstehen wird, sei das nun der mathematische Zahlenraum oder der reale, physikalische Raum.

Es gibt einige Fragen, die im Ansatz wahrscheinlich nur dadurch gelöst werden können, daß wieder ein Medium oder Äther mit einbezogen wird. Diese Fragen lauten etwa:

  • Wie können die verschiedenen Erscheinungsformen von Materie anschaulich erklärt werden?

  • Warum gibt es gerade diese und keine anderen Teilchen ?

  • Warum gibt es nur zwei 'Elementarteilchen' (Protonen und Elektronen), die auch isoliert vom Atomverbund noch völlig stabil bleiben?

  • Wie können alle uns bekannten Wechselwirkungen zwischen der Materie anschaulich und nicht nur formal erklärt werden?

Das alles ist wie ein kindliches Fragespiel, das auf jede Antwort wieder mit einer Frage weitergeht. Schon oft hat die Wissenschaft geglaubt, abgesehen von ein paar Kleinigkeiten die Welt völlig beschreiben zu können. Zurückschauend muß man sich fragen, wie die Wissenschaftler zu dieser Zeit nur so kühn sein konnten. Dabei vergessen viele, daß wir heute wieder an einem solchen Punkt stehen. Es wird sicher nie möglich sein, die Natur, und damit die Schöpfung, vollständig beschreiben zu können. Rückt man einmal von diesem ehrgeizigen Zwang ab, so sind Veränderungen im Wissen plötzlich nicht mehr ein Umstoßen einer einzigen wahren Beschreibung, sondern nur ein weiterer Schritt auf dem Weg zum besseren Verständnis der Naturvorgänge.

Die verschiedenen Äthermodelle

Nachfolgend werden chronologisch einige Äthermodelle verschiedener Wissenschaftler und Techniker vorgestellt. Natürlich gehen neben den Wissenschaftlern und Technikern auch viele religiöse, medizinische und gesellschaftliche Denker von einem universellen, alles durchdringenden Äther aus. Es ist im Rahmen dieser Zusammenfassung nicht möglich, alle bekannten Äthermodelle mit einzuschließen. Die Qualität dieser Beschreibung von verschiedenen Äthermodellen soll nicht unter einer Auflistung gleicher Äthermodelle leiden.

(1638, 1644) René du Perron Descartes

Eine erste detaillierte Beschreibung des Äthers findet man 1638 bei René Descartes. Sein Äther bestand aus drei verschiedenen flüssigen Ätherstoffen, aus denen das gesamte Universum gebildet ist. So war beispielsweise das Licht eine Druckwelle in einem dieser drei Ätherstoffe. Ferner beschrieb er die Beugungs- und Reflexionserscheinungen des Lichts mit seinem Dreistoffmedium.

Als erster beschrieb Descartes 1644 den Magnetismus als Wirbelbewegung einer Ätherflüssigkeit um eine gemeinsame Achse, dessen Enden die magnetischen Pole darstellen. Diese Wirbeltheorie blieb sehr lange erfolgreich und wurde von Leonard Euler und Bernoulli und andern (Siegrist) weiter verwendet.

(1678) Christiaan Huygens und Isaak Newton

Diese althergebrachte Vorstellung eines Äthers glich dem eines feinstofflichen Lichtäthers. Daneben gab es auch einen Äther für die Temperatur, für die elektrischen und die magnetischen Erscheinungen sowie einer für die Gravitation. Das Licht wird im optischen Äther, entgegengesetzt zu Newtons Meinung, ähnlich wie Schallwellen in der Luft übertragen.

Newton selbst bevorzugte die Meinung, daß Licht durch eine Art Partikelstrom (Korpuskeltheorie) übertragen wird, denn stellt man dem Licht einen undurchsichtigen Körper in den Weg, bilden sich scharfe Schattenlinien. Eine Druckwelle hingegen müßte sich um den Körper brechen, was aber nicht beobachtet wird. Ausschlaggebend für das Druckwellenmodell war aber letztlich, daß sich zwei kreuzende Lichtstrahlen gegenseitig nicht beeinflussen, was bei einer Partikelströmung aber unweigerlich der Fall gewesen wäre. Bei späteren Untersuchungen stellte man zudem fest, daß sich das Licht im Bereich seiner Wellenlänge doch um Kanten bricht, was dem Huygens-Modell zum Durchbruch verhalf [7].

(1743) Jean-Antoine Nollet

Der französische Abt Nollet erfand ein einfacheres Zweistoffmodell für den Äther, um das Wesen der Elektrizität zu erklären.

(1747) Benjamin Franklin

Obwohl eher bekannt durch seine Blitzforschungen hat Franklin die Theory von Nollet weiter entwickelt zu einem Einstoffmodell, um die Elektrizität zu erklären. Er war der erste, welcher die Erhaltung der elektrischen Ladung postulierte. Er nannte das Ätherfluid, welches er der Elektrizität gleichsetzte, das Positive Fluid. Später entdeckte Faraday auch die Grenzen seines Fluidmodells, als er Situationen vorfand, wo Elektrizität Wirkungen über weite Distanzen aufzeigte.

(1759) Franz Ulrich Theodosius Aepinus

Aepinus verfeinerte den Äther nach Franklin weiter, so daß er die Wirkungen über große Distanzen beschreiben konnte. Er war auch der Entdecker der elektrischen Influenz.

(1785) Charles Augustin de Coulomb

Coulomb erlangte seine Berühmtheit bis in die heutigen Tage durch den experimentellen Nachweis mit Torsionswaagen, daß die elektrische Kraftwirkung zwischen zwei Ladungen sich umgekehrt proportional zum Quadrat deren Entfernung verhält. Weniger bekannt waren seine Vorstellungen über den Äther, welche sich an Aepinus anlehnten. Allerdings hat Coulomb wieder ein Zweistoffmodell verwendet und sein Modell auch für Magnetismus angewendet. Ab diesem Zeitpunkt brach ein heftiger Konflikt zwischen den Anhängern der Ein- und Zweistoffmodelle aus.

(1812, 1828) Siméon Denis Poisson

Poisson entwickelte 1812 das Zweistoffmodell von Coulomb für den Äther weiter. Er zeigte, daß sich Ladungen in einem Leiter auf dessen Oberfläche so verteilen müssen, daß die elektrischen Kräfte im Leiter Null werden. Er berechnet die Oberflächenladungsdichte und leitet für das elektrische Potential in einem stromdurchflossenen Leiter eine Gleichung her, welche heute noch in der ganzen Physik als Poisson-Gleichung bekannt ist.

Basierend auf den Arbeiten von Navier und Augustine Louis Cauchy zeigt Poisson 1828, daß für den festen, elastischen Äther sowohl transversale als auch longitudinale Wellenausbreitungen möglich sind.

(1816) Augustin Jean Fresnel

Im Jahr 1815 zeigte David Brewster, daß Licht, welches von einem Spiegel unter einem bestimmten Winkel reflektiert worden ist, von einem zweiten Spiegel verschieden stark reflektiert wird, wenn man diesen um den eintreffenden Lichtstrahl dreht. Dieses Verhalten konnte nicht mehr mit den bestehenden Modellen der Longitudinalwelle erklärt werden. Bei nachfolgenden Interferenzversuchen stellte Fresnel 1817 schließlich fest, daß das Licht nach einer Spiegelung oder nach einer Brechung polarisiert ist. Das heißt, die Lichtwelle schwingt bezüglich der Bewegungsrichtung nicht mehr in alle Richtungen, sondern nur noch in eine ausgezeichnete Richtung. Eine Schwingung, die senkrecht zur Bewegungsrichtung erfolgt, kann aber nur noch als Transversalwelle beschrieben werden, Druckwellen, die longitudinale Schwingungen sind, lassen sich nicht polarisieren.

Diese Entdeckung brachte die Vermutung, der Äther müsse von einer Art elastischer, fester Körper sein, denn nur feste Körper sind in der Lage, transversale Wellen zu übertragen. Ein vorher gasähnlicher Äther wurde also durch einen elastischen, feststoffähnlichen Äther abgelöst.

Aus diesem Äthermodell wurden verschiedene Versuche abgeleitet, die Geschwindigkeit von bewegten Körpern oder des Lichts gegenüber dem Äther zu messen.

Es zeigte sich aber, daß das Licht offenbar unabhängig von der Eigengeschwindigkeit einer Quelle immer mit der gleichen Geschwindigkeit übertragen wird. Daraus entwickelte sich die Vorstellung eines Äthers, der mit den Körpern, in diesem Fall mit der Erde, mitgeführt wird, so daß eben keine Unterschiede mehr meßbar sind ( Fizeaus, Stokes).

Im Jahre 1881 zeigten Albert Michelson und Edward Morley mit ihrem berühmten Interferenzversuch, daß sich die Lichtgeschwindigkeit bis auf die feinste Auflösung nicht unterscheidet, ob der Lichtstrahl in Bewegungsrichtung der Erde oder senkrecht dazu gemessen wurde. Daraus wurde von George Gabriel Stokes und Heinrich Hertz der Schluß gezogen, daß der Äther von der Erde mitgeführt werde [7].

(1827) Claude Louis Marie Henri Navier

Mit den exakten Gleichungen für die Schallwellenausbreitung in einem elastischen Festkörper begann die Suche nach einer detaillierten mathematischen Theorie für den Äther, welche auf den bis dahin bekannten Gleichungen der Kontimuumsmechanik beruhten ( Gauss, Poisson, Stokes).

(1839) James MacCullagh

MacCullagh ersann einen elastischen Äther, in dem keine longitudinalen Schwingungen vorkommen. Er führte neu das Konzept der rotierenden Ätherelemente anstelle von deren Deformation ein. Diese Theorie ergab dieselbe Wellengleichung wie sie für das elektrische Feld und die magnetische Induktion in der Maxwell’schen Theorie bekannt sind. Sein Ansatz findet sich in vielen Äthertheorien bis in die heutige Zeit.

(1839, 1897) William Thomson

Im gleichen Jahr hat William Thomson (Lord Kelvin) die Theorie von MacCullagh übernommen und darin einige Änderungen vorgenommen.

Er entwickelte fast völlig unbeachtet von den wissenschaftlichen Kollegen die Äthertheorie für Elementarteilchen weiter, wel