Was ist der Äther?

Auf diese Frage und alle Fragen der Art Was ist ... kann es keine eindeutige und unveränderliche Antwort geben. Namensgebung ist kein primärer Gegenstand der Wissenschaft. Namen zeigen die Absicht der Alliteration, nicht die Eigenschaft des Benannten. Die Gegenstände werden nicht durch ihren Namen, sondern allein durch ihre Wechselbeziehungen, ihre Wirkungen definiert. Was solche Wirkungen nicht hat, existiert nicht. Wie Hegel schreibt, ist das reine Sein und das reine Nichts dasselbe. Das kümmert die Umgangssprache allerdings nicht. Es bleibt uns allerdings, die verschiedenen Funktionen, die der Äther haben soll, gegenüberzustellen.

Gibt es einen Äther? Nenne mir die Eigenschaften und Wirkungen, die er haben soll, und dann kann es auch eine Antwort geben.

1. Der Äther erfüllt den Raum zwischen den Himmelskörpern und führt sie auf ihrer Bahn.
Warum nicht, aber was kann das für prüfbare Folgen haben? Nachdem man sich an den Gedanken gewöhnt hatte, dass das Planetensystem um die Sonne kreist, wurde die Vorstellung geboren, die an den Namen DesCartes (Discours de la méthode, 1637) gebunden ist: Danach werden die Planeten des Sonnensystems duch einen Wirbel im Äther geführt, der wie in der Badewanne innen schneller rotiert als aussen. Das wird gestützt durch die Beobachtung, dass die Umlaufzeit der Planeten mit dem Abstand von der Sonne zunimmt. Kann man da etwas rechnen? Nein.
Isaak Newton (Philosophiae Naturalis Principia Mathematica, 1687) konnte rechnen, sogar erstaunlich erfolgreich: aber in seiner Theorie kam kein Äther vor. Der Äther erschien wirkungslos. Wirkungslos und nicht existent ist dasselbe, sobald wir erkannt haben, dass Objekte erst durch ihre Wechseklwirkungen definiert sind.
Wer hat recht? Die Messung muss entscheiden. Nach Newtons Theorie ist die Erde dank ihrer Rotation am Äquator etwas dicker als eine Kugel. Die Analogie zum Wirbelfaden in der Badewanne, der mit schnellerer Drehung dünner wird, lässt vermuten, die Erde würde durch Rotation schlanker als eine Kugel. Ein Paar französischer Expeditonen (Maupertuis, Finnland und LaCondamine et.al. Peru, 1736) hat nachgemessen und gezeigt, dass Newton recht hat: die Erde ist am Äquator dicker als eine Kugel. Das Messgerät der einen Expedition kann man sich im Leibniz-Institut für Astrophysik in Potsdam ansehen und dabei staunen, dass man mit diesem Instrument nach langer Kutschfahrt durch Taiga und Tundra die notwendige Genauigkeit erreicht hat. Facit:
Einen Äther, der die Planeten führt, gibt es nicht.

2. Der Äther erfüllt den Raum, und das Licht ist eine Welle in diesem Äther.
Für Newton (Opticks, 1704) sah das ganz anders aus: Das Licht ist ein Teilchenstrom hoher Geschwindigkeit (Olaf Römers berühmte Messung 1676 ergab 1 Erdbahndurchmesser in 15 Minuten), und der von Bradley 1725 gefundene Regenschirmeffekt (die Aberration des Sternenlichts) stützte diese Vorstellung zusammen mit der kopernikanischen These (1543) von der Bewegung der Erde mit 3.14 Erdbahndurchmessern pro Jahr. Zwei Haken hat die Sache allerdings:
Zum einen werden die Interferenzerscheinungen an dünnen Schichten nicht beschrieben, die Theorie ist also unvollständig. Zum andern müssen sich merkwürdige Dinge im Fahrplan der Doppelsterne und Mondsysteme zeigen, die man nicht findet. Die Theorie trifft also nicht überall zu.
Doppelsterne und Mondsysteme zeigen ja zunächst, dass die Geschwindigkeit des Lichts unabhängig von der Farbe und auch der Art der Quelle sein muss. Es gäbe sonst keine unverschmierten Bilder. Diese Geschwindigkeit sollte sich nun mit der des Sterns additiv zusammensetzen, so wie zum Radarergebnis einer Zivilstreife auf der Autobahn die Geschwindigkeit der Streife selbst addiert werden muss. Dann müsste man aber das Bahnstück, auf dem der Stern sich auf uns zu bewegt, etwas zu früh sehen, und das Teilstück, auf dem er sich von uns entfernt, etwas zu spät. Das wird aber nicht beobachtet. Beim Jupitermond Io macht das nur eine Zehntelsekunde aus, aber 1913 haben P.Guthnick und R.Zurhellen Doppelsterne überprüft und mit einer Genauigkeit von 1:1000000 nachgewiesen, dass sich die Lichtgeschwindigkeit nicht auf die Lichtquelle bezieht. Huygens (Traité de la lumière, 1690) konnte nur mit den Interferenzerscheinungen an dünnen Schichten argumentieren: Das Licht ist eine Wellenerscheinung. Aber was schlägt diese Wellen? Diese Frage ist Abbild des theoriefremden Vorurteils, für alles müsse es ein mechanisches Modell geben. Für die Lichtwellen wird es Äther genannt, Lichtwellen werden also als Wellen in einem Äther aufgefasst, in welchem sie eine von der Quelle unabhängige Geschwindigkeit haben können. Jetzt wird der Äther als Träger des Wellenphänomens Licht definiert, die Bedeutung des Begriffs hat sich verändert. Es geht nicht mehr um das Medium, das die Planeten führt, sondern um das Medium, das Wellen schlägt. Merkwürdigerweise taucht der Äther in den tatsächlichen Rechnungen zu den Wellenphänomenen Lichtbrechung und Lichtbeugung überhaupt nicht auf, er beruhigt nur die Phantasie.

3. Geschwindigkeiten brauchen ein Bezugsobjekt.
Mit dem Namen Galileo Galilei (Dialogo sopra i due massimi sistemi, 1632) ist die Erkenntnis verbunden, dass Geschwindigkeit allein keiner physikalischen Ursache bedarf, weil sie ausschließlich in Bezug auf äußere Objekte feststellbar ist, und deshalb je nach Bezugsobjekt die verschiedensten Werte hat. Das nennen wir Relativitätsprinzip. In einem Segelschiff - so schreibt Galileo - kann man mit keinem Experiment feststellen, ob das Schiff noch im Hafen liegt oder bereits auf dem offenen Meer treibt. Man muss nach draußen sehen, um das entscheiden zu können. Es ist nicht die Geschwindigkeit, die eine Ursache braucht, sondern erst ihre Änderung: die Beschleunigung. Genau das wird in Newtons Mechanik 1687 axiomatisch gesetzt.
An Licht hat Galilei noch nicht explizit gedacht. Wenn aber die Geschwindigkeit des Lichts vom Äther bestimmt wird und wir uns im Äther bewegen, sollten wir feststellen, dass das Licht, was uns überholt, auf uns bezogen etwas langsamer ist und das uns entgegenkommende Licht etwas schneller. Wenn wir die Geschwindigkeit des an uns in entgegengesetzten Richtungen vorüberziehenden Lichts vergleichen, können wir aus der Differenz für uns selbst eine Geschwindigkeit ableiten. Messen wir auf diese Weise eine Geschwindigkeit, ohne nach draußen zu sehen? Nein, wenn wir den Äther haben, so ist er das äußere Objekt, auf das sich unsere eigene so ermittelte Geschwindigkeit bezieht. Das Relativitätsprinzip wird also durch den Äther gerettet, so scheint es. Aber die technische Möglichkeit, die Zusammensetzung der Lichtgeschwindigkeit etwa mit der der Erde nachzuweisen, liegt noch in über zwei Jahrhunderten Entfernung.

4. Fresnel: Der Äther ist ungreifbar.
Eine skandalöse Tatsache gab es dennoch bereits jetzt: die von Bradley 1725 beoachtete Aberration des Sternenlichts. Sie stützt das Newtonsche Teilchenmodell noch immer, denn Wellenfronten zeigten diesen Effekt nicht. Auguste Fresnel, der erste, der Interferenzbilder 1815 richtig berechnen konnte, hielt dieses Problem für das härteste der Wellentheorie überhaupt. Er war es auch, der die mit Widerwillen akzeptierte Ausrede fand: Teleskope beobachten keine Wellenfronten, sondern die von der Aperturblende ausgeschnittenen Bereiche, die sich ihrerseits wie Teilchen benehmen, wenn ... ja wenn der Äther von der Erde, den Wänden des Observatoriums und dem Tubus des Fernrohrs nicht umgerührt wird. Der Äther muss ungreifbar und (ausser vom Licht) unfühlbar sein, wenn er seine Funktion zutreffend erfüllen soll. Deshalb konnte Michelson 1881 auch frohgemut in einen Keller ziehen, um dort zu zeigen, dass sein Interferometer so genau misst, dass es auch den Fahrtwind der Erde durch den Äther nachweisen kann. Er muss unglaublich enttäuscht gewesen sein, dass er die Geschwindigkeitsdifferenz nicht fand und dass er auf einen im Keller gefangenen Äther schließen musste.

5. Michelson: Der Äther wird von Wänden festgehalten.
Fresnels Ausrede ist nun aber geplatzt, Der kleine, technisch unbedeutende Effekt der Aberration des Sternenlichts beweist zusammen mit Michelsons Ergebnis, dass die Vorstellung von Licht als Wellenerscheinung in einem Äther als Träger nicht richtig ist. Abgesehen von den vielen anderen Problemen, die der Äther und die Elektrodynamik generell mit dem Relativitätsprinzip bekamen (man freundete sich schon mit dem Gedanken an, Galileis Relativitätsprinzip gelte nur für die Mechanik), war es die Aberration des Sternenlichts (die Auflösung der Fresnelschen Ausrede), die zur Lösung führte. Wenn Wellenfronten selbst Aberration zeigen sollen, dann muss es eine Relativität der Gleichzeitigkeit geben: Das Urteil, ob voneinander entfernte Ereignisse gleichzeitig sind oder nicht, muss sich immer auf einen Beobachter beziehen, und Beobachter in relativer Bewegung entscheiden verschieden, so wie sie auch verschieden über die Richtung einfallender Strahlung entscheiden (das ist ja gerade die Aberration). H.A.Lorentz, der dafür die heute unter seinem Namen bekannten Umrechnungen fand, hatte den Eindruck, dass das wieder nur eine Ausrede war, die das Schicksal der Ausrede Fresnels teilen würde.

6. Einstein: Die Lichtgeschwindigkeit gehört zu den Voraussetzungen der Theorie.
Es war Albert Einstein, der im Nachdenken über die praktische Synchronisation voneinander entfernter Uhren das Axiom, den Haken fand, an dem man das ganze Netz der Probleme aus dem Sumpf der Undurchschaubarkeit ziehen konnte. Wenn man akzeptiert, dass man Gleichzeitigkeit unter elementarer Benutzung elektromagnetischer Signale feststellen kann, dann geraten Aussagen über die Lichtgeschwindigkeit in die Nähe von Zirkelschlüssen (das heißt Fehlschlüssen). Wenn man dagegen voraussetzt, dass der Betrag der Lichtgeschwindigkeit an einem Ort unabhängig von Beobachter und Richtung ist (wir nennen das Konstanz der Lichtgeschwindigkeit, was leider oft als immer und überall gleich missverstanden wird), dann lösen sich more geometrico alle aufgelaufenen Probleme von selbst, insbesondere die Relativität der Gleichzeitigkeit wird eine Zeichenübung. Ein Äther als Medium der Lichtausbreitung taucht in keiner Rechnung mehr auf, er bleibt wirkungslos. Der Äther ist als Konstruktion oder Hypothese überflüssig. Wie die Schwerkraft Newtons brauchen auch die elektromagnetischen Wirkungen keinen Mittler. Nicht zuletzt ist auch Galileos Relativitätsprinzip wieder in sein vollen Rechte eingesetzt.

7. Welle und Teilchen:
Die Quantentheorie hat schließlich das Teilchenkonzept Newtons und das Wellenkonzept Huygens' in eigenartiger Weise verbunden, weil Wellen ihre Energie nicht mehr wie eine schwingende Seite abgeben können, ohne zu stottern. Sie können ihre Energie nur in charakteristischen Schritten (Quanten) abgeben. Bei diesen Schritten sieht das abgegebene Quantum wie ein Teilchen der mit eigener Energie und eigenem Impuls aus. Das nennen wir dann Photon. Solange nur Energie und Impulsaustausch betroffen ist, können wir das Licht als Photonenstrom betrachten. Wegen des Axioms der Unveränderlichkeit des Betrags der Lichtgeschwindigkeit bei Zusammensetzungen hängt die Geschwindigkeit der Photonen auch nicht mehr wie die der Newtonschen Teilchen von der Geschwindigkeit der Quelle ab.

8. Hier halten wir inne und fassen noch einmal die drei Eigenschaften zusammen, welche von nun an den Namen Äther begründen können.
a. Ein Äther soll überall sein, also eine homogene Komponente des ganzen Universums darstellen.
b. Ein Äther soll nicht zu fassen sein, er soll sich nicht mit gewohnten Methoden eintüten lassen.
c. Ein Äther soll uns Gelegenheit geben, eine Relativgeschwindigkeit gegen ihn zumindest gedanklich zu bestimmen.
Einstein hat den Namen Äther nach 1916 noch einmal ganz abstrakt verwendet und mit ihm die Eigenschaften der Raum-Zeit selbst bezeichnet. Speziell beim Gravitationsfeld wollte er damit auf die Möglichkeit, Koordinaten und Bezugssysteme an der Krümmung der Raum-Zeit zu orientieren, anspielen. Der Äther Einsteins ist nun nicht mehr der Träger des Schwerefeldes oder der elektromagnetischen Felder, sondern er besteht aus diesen Feldern selbst. Das hat aber nichts mit demjenigen Ätherbegriff zu tun, dessen Bedeutungslosigkeit mit der Relativitätstheorie gezeigt worden war. Dieser Äther bezeichnet unsere Umwelt, und an der können wir uns ohne weiteres orientieren, so sie inhomogen genug ist. Da gibt es nichts Merkwürdiges.

9. Neutrinos: An die Vorstellung von Dingen, die kaum zu fassen sind und alles durchdringen, haben wir uns inzwischen gewöhnt. Neutrinos waren die ersten Teilchen dieser Art, deren Existenz nachgewiesen werden konnte, obwohl sie zunächst nur als Entschuldigung für merkwürdige Beobachtungen in der Energiebilanz von Kernprozessen galten. Während die Photonen mit den gewohnten Substanzen wegen derer elektromagnetischen Struktur reagieren, tun dies die Neutrinos nicht. Einmal erzeugt, verlassen sie uns mit Lichtgeschwindigkeit und lassen sich nur mit Materie sehr hoher Dichte aufhalten, wie sie etwa beim Kollaps einer Supernova auftritt. Teilchen deren Wechselwirkung ähnlich schwach ist, scheint es in vielen Arten zu geben, und wir werden ihnen unter dem Namen Dunkle Materie gleich noch einmal begegnen.

10. Lassen wir die Unfassbarkeit beiseite und fragen nach Dingen, die überall sind und an denen wir Bewegung orientieren können. Das allerdings gibt es (mit einer kleinen Einschränkung). Das Universum ist gebettet in ein Wärmebad aus elektromagnetischer Strahlung, dem Mikrowellenhintergrund. Er reagiert so wenig mit der im Weltall verteilten Materie, dass das Weltall durchsićhtig ist, aber wir können uns an ihm orientieren: Gegen den Mikrowellenhintergrund bewegen wir uns mit etwa 500 km/s. Auch dieser Hintergrund wird gelegentlich als Äther bezeichnet, aber er hat weder die von DesCartes erwarteten Eigenschaften, noch die von Fresnel unterstellten, und hat auch nichts mit dem metaphorischen Äther Einsteins zu tun. Die Unfassbarkeit ist ohnehin eingeschränkt: elektromagnetische Strahlung kann man mit einem Faraday-Käfig aussperren und mit einem Spiegel umrühren.

11. Da sieht es mit der Dunklen Materie anders aus. Sie wirkt bei der Strukturbildung im Universum, ihre Kondensationen sind die Sammelstellen für unsere gewohnte Materie, und die Schwerewirkung dieser Kondensationen lassen sich mit dem Gravitationslinseneffekt und der Röntgentemperatur des intergalakischen Gases nachmessen. Andererseits ist die Dunkle Materie so wenig festzuhalten wie die Neutrinos, weshalb der Dichtekontrast ihrer Kondensationen auch so gering ist, dass er das Planetensystem nicht stört. Deshalb können wir unsere Bewegung auch nicht mehr ohne weiteres an Dunkler Materie orientieren. Hier von Äther zu sprechen, zielt nur auf die Unfassbarkeit.

12. Bei der Dunklen Energie gibt es auch diese Orientierbarkeit nicht mehr. Mit dem Wort Dunklen Energie bezeichnet man eine Quelle des Schwerefeldes, die so homogen verteilt ist, dass ihre Schwerewirkung sich ausschließlich im Verlauf der Expansion des Universums bemerkbar macht (Reisz et al., Permutter et al. 1998). Diese Energie läßt sich nicht einfangen, nicht aussperren. Sie spielt bei den physikalischen Prozessen, die immer eine Art Transport und Austausch von Energie und Impuls sind, einfach nicht mit. Die Frage Was ist die Dunkle Energie? kann deshalb keine Antwort finden, die sich auf unseren Erfahrungsbereich bezieht.

Was bewirkt die Dunkle Energie? Sie hält die Expansionsrate des Universums hoch, während die Schwerewirkung aller anderen Materiekomponenten die Expansionsrate nur verringert.

Es gibt allerdings gute Gründe für die Vermutung, dass die Dunkle Energie doch einmal an Umsetzungen beteiligt war. Das betrifft die vermutete inflationäre Phase der Expansion am Anfang des Universums (Starobinsky 1980, Guth 1980). Man unterstellt, dass damals die Dunkle Energie viele Größenordnungen dichter war als heute ( 10⁹³ kg/m³ statt 1.7 10^-27 kg/m³) und für eine entsprechend große Expansionsrate des Universums gesorgt hat (das nennt man inflationäres Universum). Dies sollte zur Folge haben, dass dabei aller anderer Inhalt des Universums zur Unkenntlichkeit verdünnt wurde. Die Dunkle Energie, so erwartet man, wurde dabei instabil und hat sich schließlich bis auf einen kleinen Rest (den wir heute beobachten) wieder in gewohnte Materie umgesetzt. Man nennt das Rückheizung des Universums (es geht um 10²⁸ K). Das hört sich nach reiner Unterstellung an, aber man kann mit einfachen quantentheoretischen Regeln das Spektrum der beobachteten Anisotropien der Hintergrundstrahlung und der großen Strukturen richtig ableiten. Die Restdichte der Dunklen Energie, die wir jetzt in dem Verlauf der Expansionsrate des Universums beobachten, entspricht konstant einer Strahlungstemperatur von etwa 30 K. Die Hintergrundstrahlung hat nur noch weniger als 3 K, man kann also wieder einmal spinnen, was noch so alles möglich ist.

13. Ein Nachsatz muss noch sein. Dunkle Materie und Dunkle Energie sind natürlich nur in allegorischem Sinne dunkel, weil das Licht unserer Kenntnis sie nicht beleuchtet. Beide sind jedoch transparent wie das Fensterglas, das ja auch niemand als dunkel bezeichnen würde, weil es beim Blick ins Grüne nicht auffällt oder stört. Für Fritz Zwicky war 1930 die fehlende Materie in den Galaxienhaufen dunkel, weil sie in der Leuchtkraftbilanz nicht auftrat, das kann man einsehen. Heute wissen wir, dass sie nicht nur in der Leuchtkraftbilanz fehlt. Sie wirft - anders als der interstellare Staub - auch keine Schatten: ein Peter Schlemihl im Universum. Der Begriff Dunkle Energie (1998) zitiert angesichts dieser Erkenntnis vielleicht nur die dunkle Seite der Macht aus Star Wars (1977).

P.Brosche, D.-E.Liebscher (1999): Aberration and Relativity, Astron.Nachr.

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