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Experimente von Rayleigh und Brace

Die Experimente von Rayleigh und Brace (1902, 1904) sollten zeigen, ob die Lorentzkontraktion zur Doppelbrechung führt. Es war eines der ersten optischen Experimente zur Messung der Relativbewegung von Erde und Äther, die genau genug waren, um Größen zweiter Ordnung in v/c festzustellen. Die Ergebnisse waren negativ, was für die Entwicklung der Lorentz-Transformation und somit der Relativitätstheorie von großer Bedeutung war (vgl. Tests der speziellen Relativitätstheorie).

Die Experimente Bearbeiten

Um den negativen Ausgang des Michelson-Morley-Experiments zu erklären, wurde von George Francis FitzGerald (1889) und Hendrik Antoon Lorentz (1892) die Kontraktionshypothese eingeführt, wonach ein Körper während seiner Bewegung durch den ruhenden Äther verkürzt wird.

John William Strutt, 3. Baron Rayleigh (1902) interpretierte nun die Lorentzkontraktion als mechanische Kompression. Diese sollte dazu führen, dass Materialien optisch anisotrop werden, die dabei auftretenden unterschiedlichen Brechungsindizes führen zur Doppelbrechung. Um diesen Effekt zu messen, befestigte er auf einem in Bezug zur Erdbewegung drehbaren Brett eine 76 cm lange Röhre, welche an ihren Enden durch Glas abgeschlossen war. Die Röhre war entweder mit Schwefelkohlenstoff oder Wasser gefüllt, wobei die Flüssigkeit sich zwischen zwei Nicolschen Prismen befand. Durch die Flüssigkeit wurde nun Licht hin und her gesendet, wobei als Quelle eine elektrische Lampe und im weiteren Verlauf vor allem Kalklicht benutzt wurde. Das Experiment war genau genug, um Verzögerungen von 1⁄6000 einer halben Wellenlänge, also von der Ordnung , zu beobachten. Abhängig von der Ausrichtung relativ zur Erdbewegung, wäre die erwartete Verzögerung durch Doppelbrechung von der Ordnung , also durchaus im Rahmen der Messgenauigkeit. Somit war es, neben dem Michelson-Morley-Experiment und dem Trouton-Noble-Experiment, eines der wenigen Experimente, welche Größen von zweiter Ordnung in nachzuweisen imstande waren. Das Ergebnis war jedoch vollständig negativ. Rayleigh wiederholte das Experiment mit Schichten von Glasplatten (allerdings mit einer um den Faktor 100 geringeren Genauigkeit) und erhielt ebenfalls ein negatives Ergebnis.

Diese Experimente wurden jedoch von DeWitt Bristol Brace (1904) kritisiert. Rayleigh habe sowohl die Auswirkungen der Kontraktion ( statt ) als auch des Brechungsindex nicht genau genug berücksichtigt, sodass die Ergebnisse keineswegs schlüssig seien. Brace führte deswegen sehr viel exaktere Experimente durch. Dabei verwendete er ein Gehäuse von 4,13 m Länge, 15 cm Breite, und 27 cm Tiefe, das mit Wasser gefüllt war, und welches je nach Versuch um eine vertikale oder eine horizontale Achse rotierbar war. Sonnenlicht wurde durch ein System von Linsen, Spiegeln und Reflexionsprismen in das Wasser geleitet und 7-mal reflektiert. Dabei legte der Strahl 28,5 m zurück, wobei eine Verzögerung von beobachtbar gewesen wäre. Das Ergebnis war auch hier negativ. Eine andere Experimentalanordnung mit Glas an Stelle der Flüssigkeit (Genauigkeit: ) brachte ebenfalls keine Spur einer Doppelbrechung hervor.

Das Fehlen einer Doppelbrechung wurde von Brace ursprünglich als Widerlegung der Lorentzkontraktion aufgefasst. Jedoch zeigten Lorentz (1904) und Joseph Larmor (1904), dass wenn man die Kontraktionshypothese beibehält und zusätzlich die Transformation der Zeitkoordinaten entsprechend durchführt, d. h., die komplette Lorentz-Transformation verwendet, der negative Ausgang erklärlich wird. Nimmt man nun, wie Albert Einstein (1905) im Rahmen der speziellen Relativitätstheorie, das Relativitätsprinzip von vornherein als gültig an, versteht sich das negative Ergebnis von selbst, denn ein gleichförmig bewegter Beobachter kann sich selbst als ruhend betrachten und wird folglich keine Auswirkung seiner eigenen Bewegung erfahren. Die Lorentzkontraktion ist folglich für einen mitbewegten Beobachter nicht messbar und muss für einen nicht mitbewegten Beobachter zusammen mit der Zeitdilatation berücksichtigt werden, was später mit dem Trouton-Rankine-Experiment (1908) und dem Kennedy-Thorndike-Experiment (1933) ebenfalls bestätigt wurde.

Siehe auch Bearbeiten

Einzelnachweise Bearbeiten

Allgemeine Literatur:

  1. Jakob Laub: Über die experimentellen Grundlagen des Relativitätsprinzips. In: Jahrbuch der Radioaktivität und Elektronik. 7. Jahrgang, 1910, S. 405–463.
  2. Edmund Taylor Whittaker: A History of the theories of aether and electricity. Longman, Green and Co., Dublin 1910 (archive.org).

Primärliteratur:

  1. Lord Rayleigh: Does Motion through the Aether cause Double Refraction? In: Philosophical Magazine. 4. Jahrgang, 1902, S. 678–683.
  2. DeWitt Bristol Brace: On Double Refraction in Matter moving through the Aether. In: Philosophical Magazine. 7. Jahrgang, Nr. 40, 1904, S. 317–329.
  3. Hendrik Antoon Lorentz: Das Relativitätsprinzip. Eine Sammlung von Abhandlungen. Hrsg.: Blumenthal, Otto & Sommerfeld, Arnold. 1913, Elektromagnetische Erscheinungen in einem System, das sich mit beliebiger, die des Lichtes nicht erreichender Geschwindigkeit bewegt, S. 6–26.
  4. Joseph Larmor: On the ascertained Absence of Effects of Motion through the Aether, in relation to the Constitution of Matter, and on the FitzGerald-Lorentz Hypothesis. In: Philosophical Magazine. 7. Jahrgang, Nr. 42, 1904, S. 621–625.
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Die Experimente von Rayleigh und Brace 1902 1904 sollten zeigen ob die Lorentzkontraktion zur Doppelbrechung fuhrt Es war eines der ersten optischen Experimente zur Messung der Relativbewegung von Erde und Ather die genau genug waren um Grossen zweiter Ordnung in v c festzustellen Die Ergebnisse waren negativ was fur die Entwicklung der Lorentz Transformation und somit der Relativitatstheorie von grosser Bedeutung war vgl Tests der speziellen Relativitatstheorie Die Experimente BearbeitenUm den negativen Ausgang des Michelson Morley Experiments zu erklaren wurde von George Francis FitzGerald 1889 und Hendrik Antoon Lorentz 1892 die Kontraktionshypothese eingefuhrt wonach ein Korper wahrend seiner Bewegung durch den ruhenden Ather verkurzt wird John William Strutt 3 Baron Rayleigh 1902 interpretierte nun die Lorentzkontraktion als mechanische Kompression Diese sollte dazu fuhren dass Materialien optisch anisotrop werden die dabei auftretenden unterschiedlichen Brechungsindizes fuhren zur Doppelbrechung Um diesen Effekt zu messen befestigte er auf einem in Bezug zur Erdbewegung drehbaren Brett eine 76 cm lange Rohre welche an ihren Enden durch Glas abgeschlossen war Die Rohre war entweder mit Schwefelkohlenstoff oder Wasser gefullt wobei die Flussigkeit sich zwischen zwei Nicolschen Prismen befand Durch die Flussigkeit wurde nun Licht hin und her gesendet wobei als Quelle eine elektrische Lampe und im weiteren Verlauf vor allem Kalklicht benutzt wurde Das Experiment war genau genug um Verzogerungen von 1 6000 einer halben Wellenlange also von der Ordnung 1 2 10 10 displaystyle 1 2 cdot 10 10 nbsp zu beobachten Abhangig von der Ausrichtung relativ zur Erdbewegung ware die erwartete Verzogerung durch Doppelbrechung von der Ordnung 10 8 displaystyle 10 8 nbsp also durchaus im Rahmen der Messgenauigkeit Somit war es neben dem Michelson Morley Experiment und dem Trouton Noble Experiment eines der wenigen Experimente welche Grossen von zweiter Ordnung in v c displaystyle v c nbsp nachzuweisen imstande waren Das Ergebnis war jedoch vollstandig negativ Rayleigh wiederholte das Experiment mit Schichten von Glasplatten allerdings mit einer um den Faktor 100 geringeren Genauigkeit und erhielt ebenfalls ein negatives Ergebnis 1 Diese Experimente wurden jedoch von DeWitt Bristol Brace 1904 kritisiert Rayleigh habe sowohl die Auswirkungen der Kontraktion 0 5 10 8 displaystyle 0 5 cdot 10 8 nbsp statt 10 8 displaystyle 10 8 nbsp als auch des Brechungsindex nicht genau genug berucksichtigt sodass die Ergebnisse keineswegs schlussig seien Brace fuhrte deswegen sehr viel exaktere Experimente durch Dabei verwendete er ein Gehause von 4 13 m Lange 15 cm Breite und 27 cm Tiefe das mit Wasser gefullt war und welches je nach Versuch um eine vertikale oder eine horizontale Achse rotierbar war Sonnenlicht wurde durch ein System von Linsen Spiegeln und Reflexionsprismen in das Wasser geleitet und 7 mal reflektiert Dabei legte der Strahl 28 5 m zuruck wobei eine Verzogerung von 7 8 10 13 displaystyle 7 8 cdot 10 13 nbsp beobachtbar gewesen ware Das Ergebnis war auch hier negativ Eine andere Experimentalanordnung mit Glas an Stelle der Flussigkeit Genauigkeit 4 5 10 11 displaystyle 4 5 cdot 10 11 nbsp brachte ebenfalls keine Spur einer Doppelbrechung hervor 2 nbsp Das Fehlen einer Doppelbrechung wurde von Brace ursprunglich als Widerlegung der Lorentzkontraktion aufgefasst Jedoch zeigten Lorentz 1904 und Joseph Larmor 1904 dass wenn man die Kontraktionshypothese beibehalt und zusatzlich die Transformation der Zeitkoordinaten entsprechend durchfuhrt d h die komplette Lorentz Transformation verwendet der negative Ausgang erklarlich wird Nimmt man nun wie Albert Einstein 1905 im Rahmen der speziellen Relativitatstheorie das Relativitatsprinzip von vornherein als gultig an versteht sich das negative Ergebnis von selbst denn ein gleichformig bewegter Beobachter kann sich selbst als ruhend betrachten und wird folglich keine Auswirkung seiner eigenen Bewegung erfahren Die Lorentzkontraktion ist folglich fur einen mitbewegten Beobachter nicht messbar und muss fur einen nicht mitbewegten Beobachter zusammen mit der Zeitdilatation berucksichtigt werden was spater mit dem Trouton Rankine Experiment 1908 und dem Kennedy Thorndike Experiment 1933 ebenfalls bestatigt wurde 3 4 A 1 A 2 Siehe auch BearbeitenGeschichte der speziellen RelativitatstheorieEinzelnachweise BearbeitenAllgemeine Literatur Jakob Laub Uber die experimentellen Grundlagen des Relativitatsprinzips In Jahrbuch der Radioaktivitat und Elektronik 7 Jahrgang 1910 S 405 463 Edmund Taylor Whittaker A History of the theories of aether and electricity Longman Green and Co Dublin 1910 archive org Primarliteratur Lord Rayleigh Does Motion through the Aether cause Double Refraction In Philosophical Magazine 4 Jahrgang 1902 S 678 683 DeWitt Bristol Brace On Double Refraction in Matter moving through the Aether In Philosophical Magazine 7 Jahrgang Nr 40 1904 S 317 329 Hendrik Antoon Lorentz Das Relativitatsprinzip Eine Sammlung von Abhandlungen Hrsg Blumenthal Otto amp Sommerfeld Arnold 1913 Elektromagnetische Erscheinungen in einem System das sich mit beliebiger die des Lichtes nicht erreichender Geschwindigkeit bewegt S 6 26 Joseph Larmor On the ascertained Absence of Effects of Motion through the Aether in relation to the Constitution of Matter and on the FitzGerald Lorentz Hypothesis In Philosophical Magazine 7 Jahrgang Nr 42 1904 S 621 625 Abgerufen von https de wikipedia org w index php title Experimente von Rayleigh und Brace amp oldid 226968903