Inertialsysteme
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Lichtbrechung


Die Ausbreitung des Lichts


Bis gegen Ende des neunzehnten Jahrhunderts herrschte das Credo, es gäbe einen Äther, in dem sich alle Bewegungen der Materie, aber auch die des Lichtes abspielten. Der Äther verkörperte sozusagen das ideale Inertialsystem, und das Licht hätte in ihm - und nur in ihm - nach allen Richtungen hin dieselbe Ausbreitungsgeschwindigkeit. Gegenüber dem Äther habe die Erde eine bestimmte Relativgeschwindigkeit. Bewegt sich das Licht ebenfalls in deren Richtung, erscheint seine Geschwindigkeit auf der Erde kleiner (denn einen Teil der Lichtgeschwindikeit gegeüber dem Äther hat bereits die Erde "verbraucht", bewegt sich das Licht in entgegengesetzter Richtung, erscheint seine Geschwindigkeit auf der Erde um diese Relativgeschwindig größer.
Dies mit sehr trickreichen Apparaturen zu untersuchen, war eine große Leistung, die mit dem Namen des Physikers Albert A.Michelson in die Geschichte eingegangen ist. Das Ergebnis der Untersuchung war: Das Licht breitet sich auf der Erde in allen Richtungen gleich schnell aus. Es gibt also keinen "Ätherwind", und die Annahme, es gäbe einen Äther mit den erwähnten Eigenschaften, musste falsch sein - es sei denn, die Messungen hätten immer an einem Ort stattgefunden, der gegenüber dem Äther zufällig ruhte. Das aber kann man getrost ausschließen.

Obwohl damals viele namhafte Physiker sehr interessante Ideen über die Lichtgeschwindigkeit im Verhältnis zum Äther und zu anderen Bezugssystemen entwickelt hatten, ist es verwunderlich, dass ein für die Lichtausbreitung - nach meiner Meinung - besonders wichtiges und sehr naheliegendes Bezugssystem kaum in Erwägung gezogen wurde, nämlich jenes Bezugssystem, in dem das emittierende Elektron im wesentlichen ruht. Vielmehr wurden von Einstein - zur damaligen Zeit noch völlig ungeschützt - in seiner Speziellen Relativitätstheorie SRT die terrestrischen experimentellen Ergebnisse, die sich alle in Luft und mit einem Licht ergeben hatten, welches stets von erdfesten Punkten ausgesandt worden war, dahingehend verallgemeinert, dass sie sich auch für jeden beliebigen Beobachter ergeben hätten, wenn das Licht von beliebig bewegten Quellen in einem Vakuum und ohne Verwendung von erdfesten Spiegeln ausgesandt worden wäre. Außerdem behauptete Einstein, dass es überhaupt keine größere Geschwindigkeit als diese Lichtgeschwindigkeit gäbe. Von Messungen, die genau diese Behauptung hätten stützen können (z.B. spiegelfreie Einweg-Messungen der Geschwindigkeit des Sonnenlichtes in einem Vakuum ) ist mir nichts bekannt. Die Konsequenzen dieser Verallgemeinerung waren sensationell. Sie relativierten alle bis dahin gültigen Vorstellungen von Zeit, Raum und Masse. Demnach ändern sich Längenmaße, Uhren und Einheitsmassen eines Objektes für einen Beobachter in Abhängigkeit von der Relativgeschwindigkeit zwischen Beobachter und Objekt, dabei wird weitgehend offen gelassen, ob diese Änderungen nur subjektiv oder ob sie objektiv sind. Bis heute ist die Richtigkeit der SRT nicht ganz unbestritten, wenngleich sie unbedingt die heute gültige Lehrmeinung widergibt.

Befasst nan sich aber unvoreingenommen mit der Ausbreitung des Lichtes, sollte man davon ausgehen, dass das Licht als elektromagnetische Welle den Maxwellgleichungen genügt. Die alltägliche Erfahrung zeigt weiterhin, dass sich die Lichtstrahlen nicht in Luft - und dann schon gar nicht im Vakuum - gegenseitig beeinflussen. Um mehr über das Licht zu erfahren, kann man sich daher "pars pro toto" auf das von einer Punktquelle ausgesandte Licht beschränken. Wenn diese Quelle ruht, kann man sie in den Nullpunkt eines Bezugssystems legen und erhält mit Hilfe der Maxwellgleichungen eine verhältnismäßig einfache Differentialgleichung zweiter Ordnung, die eine kugelsymmetrische Lichtwelle beschreibt, welche sich mit der Lichtgeschwindigkeit c ausbreitet. Betrachtet man dieses Licht in einem mit konstanter Geschwindigkeit -v bewegten Bezugssystem, erhält man durch eine Galileitransformation aus jener einfachen Gleichung eine entsprechende, nun aber etwas kompliziertere Differentialgleichung, die dann das Verhalten des von einer mit der Geschwindigkeit v bewegten Quelle ausgestrahlten Lichtes beschreibt. Dieses Licht breitet sich nicht mehr mit Lichtgeschwindigkeit kugelsymmetrisch aus, sondern eben so, wie sie als solche von einem bewegten Bezugssystem aus gesehen wird. Dabei bewegt sich dieses Licht im Mittel mit der Geschwindigkeit v und zum Teil mit der Signal-Geschwindigkeit v+c. Das bedeutet, dass unser tagtägliches Licht eine Überlagerung von vielen Anteilen ist, die sich alle im Mittel mit den verschiedenen Geschwindigkeiten ihrer Quellen fortbewegen und wegen der Beliebigkeit der Geschwindigkeiten ihrer Quellen beliebige Signal-Geschwindigkeiten erreichen können.

Da die
Photonen nur in Kurzform die Energieübertragung zwischen den Atomen beschreiben, die sich vermittels elektromagnetischer Maxwell-Wellen vollzieht, sollte die Geschwindigkeit der Photonen einem Mittelwert der Geschwindigkeiten der jeweils beteiligten Lichtwellen entsprechen.


Facit

Im Gegensatz zur SRT wirft die soeben beschriebene Theorie der Lichtausbreitung keine grundsätzlich neuen Fragen auf, da sie kein neues Naturgesetz benutzt - also z.B. nicht behauptet, dass für jeden Beobachter das Licht gleich schnell ist. Es gibt keine universale Höchstgeschwindigkeit.