Über die Rolle des Äthers in der Physik

Walter Ritz 

 

Quelle:
WALTER RITZ (1908): „Über die Rolle des Äthers in der Physik“.
(Aus Scientia 1908, Nr. VI: „Du rôle de l’éther en physique“)
Entnommen aus dem Buch:
„Theorien über Äther, Gravitation, Relativität und Elektrodynamik“

Übersetzt und mit einem Nachwort versehen von Dr. Karl Dürr,
Schritt-Verlag, Bern und Badisch-Rheinfelden 2. Auflg. (1965), S. 15 – 28.


Unter den wichtigsten und am allgemeinsten anerkannten physikalischen Theorien spielen zwei eine ganz besonders grundlegende Rolle: die Atom- und die Ätherhypothese. Beide wurzeln in metaphysischen Anfängen, die heute kaum noch Anhänger fänden, beide hatten im Lauf der Zeit wechselvolle Schicksale. In den letzten Jahren war indes ihr Bestehen vor der Kritik und der Erfahrung ein ungleiches. Von größter Fruchtbarkeit war fast in allen Gebieten der Physik und Chemie der Atombegriff, der neuestens durch die Entwicklung der Ionen- und Elektronentheorie Triumphe feierte, daß wir die elektrischen Ladungen der Atome fast mit Händen greifen. Dagegen scheint man von der Philosophie her der Atomtheorie ihre etwas zweifelhafte Herkunft noch nicht ganz verzeihen zu wollen. So behandelt sie Ostwald mit einer Strenge, die er gegenüber andern Dingen, etwa dem Ätherbegriff, vermissen läßt. An diesem letzterem hinwiederum hat die Kritik kaum Anstand genommen. Der Erfolg der Wellentheorie des Lichtes, insbesondere in der Maxwell’schen Fassung, hat jede Kritik zum Verstummen gebracht, und die Frage, in wieweit dieser an sich bestimmt wichtige Begriff beim heutigen Zustand der Theorie auch unabhängig von dieser besonderen Form gefordert wird, ist kaum gestellt worden. Und doch zeigt schon ein kurzer geschichtlicher Überblick, wie wenig der Ätherbegriff die heute allseitig genossene Gunst verdient.

Der Äther hat philosophische Ursprünge und ist erst durch Huygens, den Schöpfer der Wellentheorie des Lichts, in die Physik eingeführt worden. Zu jener Zeit war er eines neben vielen ähnlichen Fluiden (das magnetische, das elektrische, das Wärmefluidum usw.), das von den Physikern sicher ohne Widerstreben geschluckt worden wäre – wäre nicht die Autorität Newton’s dazwischengetreten, der für lange Zeit der Emanationstheorie des Lichtes zum Sieg verhalf. Die Gründe Newton’s lohnen einiges Verweilen. Sie sind typisch.

Aus der Beobachtung der verschiedenen Brechungserscheinungen, vor allem der Newton-Ringe, ging schon zu jener Zeit hervor, daß das Licht eine periodische Erscheinung ist, d. h. aus einer Folge von Zuständen besteht, die sich nach einer bestimmten, äußerst kurzen Zeit genau gleich im gleichen Raumpunkt wiederholen. Das traf auch auf den Ton zu und war die Grundlage der Theorie von Huygens. Die weit getriebenen mathematischen Untersuchungen dieses Gelehrten, welche die erste Grundlage der Wellentheorie bilden, gelten unabhängig von der Natur der Erscheinung sofern nur die Periodizität in der Zeit und im Raum nach dem mathematischen Gesetz von Huygens gewahrt ist. Aber Huygens nahm außerdem an, das Licht müsse als Schwingung eines unwägbaren Körpers betrachtet werden, der im ganzen Raume verteilt sei. Und da die wägbaren Körper von seiten dieses „Äthers“ keinen Widerstand finden, gleichgültig ob man irdische Bewegungen oder die Bahnen der Himmelskörper betrachtet, wo die Genauigkeit besonders groß ist, mußte der Äther als eine äußerst feine Flüssigkeit begriffen werden. Nun können Flüssigkeiten lediglich Längsschwingungen ausführen, Schwingungen also, deren Richtung mit der Ausbreitungsrichtung der Welle zusammenfällt und die in jedem Punkt durch eine einzige Größe, die Dichte der Flüssigkeit in diesem Punkte, gekennzeichnet sind. 

Von dieser Art sind die Schwingungen der Luft, die wir als Töne wahrnehmen, Dagegen sind die Schwingungen einer gestrichenen Violinsaite, einer angeschlagenen Stange, oder die von einem ins Wasser geworfenen Stein erzeugten Wasserwellen ganz anderer Art, nicht mit einem Wechsel der Dichte verbunden und nicht in die Ausbreitungsrichtung gerichtet: in einem unbegrenzten festen Körper liegt die Schwingungsrichtung in einer senkrecht auf der Ausbreitungsrichtung stehenden Ebene und bedarf zu ihrer vollständigen Kennzeichnung der Angabe der Richtung in dieser Ebene, also zweier Komponenten. So findet die Ausbreitung der Schwingung einer Saite längs der schwingenden Saite, die Schwingung aber senkrecht dazu statt, und zwar in der Richtung in der die Saite gezupft worden ist. In keinem Fall genügt eine einzige Größe zur Beschreibung des Vorganges: es braucht deren zwei. Nun zeigten die eigenen Untersuchungen von Huygens am isländischen Spath – also über Polarisation -, daß das Licht durch eine Richtung oder, wie wir sagen, einen Vektor gekennzeichnet ist, also durch eine Mehrheit von Größen.

Huygens war daher außerstande, diese Beobachtungen zu erklären, und Newton, der die Transversalschwingungen fester Körper sicher kannte, aber nicht zulassen konnte, daß ein fester Körper durch verschiedenste Körper hindurchdringen könne, ohne ihnen einen Widerstand entgegenzusetzen, verwarf die Huygens´sche Theorie trotz ihrer offensichtlichen Vorzüge. So ist bei Huygens von Anfang an die Verstofflichung einer an sich fruchtbaren mathematischen Vorstellung dieser abträglich gewesen. Ein gleicher Sachverhalt begegnet uns in der weiteren Geschichte des Äthers immer wieder bis auf den heutigen Tag.

Fast hundert Jahre lang war nun der Äther in den Hintergrund gedrängt. Als ihn die Arbeiten eines Fresnel wieder zu Ehren brachten und die Auffassungen von Huygens anscheinend denen von Newton turmhoch überlegen wurden, war dies zu einem guten Teil der genialen Unbekümmertheit zuzuschreiben, mit der der große Fresnel diesen Teil seiner Theorie durchführte. Rein am Studium der Erscheinungen aus gerichtet, suchte und fand er mathematische Gesetze, die man in ihrer allgemeinsten Form durch eine partielle Differentialgleichung zweiter Ordnung und durch gewisse Bedingungen ausdrücken kann, denen das Licht an der Trennfläche zweier verschiedener Körper oder des Äthers und eines Körpers unterworfen ist, Bei der Schwierigkeit, einen Körper sich frei durch den festen Äther hindurch bewegen zu lassen, hielt er sich nicht auf; er nahm sogar an, um die Aberration zu erklären, daß der Äther die Bahnbewegung der Erde nicht mitmache, so daß ein Ätherwind von 30 km Sekundengeschwindigkeit durch alle Dinge und die uns umgebende Luft hindurchginge, ohne in selbst allergenauesten Versuchen festgestellt zu werden… Seine Theorie stand mit der Erfahrung in Einklang; die genannte Schwierigkeit konnte nicht unüberwindlich sein. Er nahm an, daß verfeinerte Versuche diese Bewegung der irdischen Dinge im Verhältnis zum Äther noch offenbaren würden oder daß sich eine theoretische Erklärung der Unbemerkbarkeit des Ätherwinds werde finden lassen. Hand aufs Herz: sind wir heute weiter?

Die Theorie von Fresnel war rein phänomenologisch. Aus der Gesamtheit seiner Formeln mußte nun eine zusammenhängende Theorie der Elastizität des Äthers abgeleitet werden. Die große Entwicklung der bisher recht kümmerlichen Elastizitätstheorie fester Körper in den Händen von Navier, Poisson, Green und Cauchy steht in diesem Zusammenhang: sie machte es möglich, die allgemeinste Schwingung eines festen Körpers – und mithin auch des Fresnel’schen Äthers – durch partielle Differentialgleichungen zweiter Ordnung und gewisse Grenzflächenbedingungen der Körper auszudrücken, wie es Fresnel für das Licht gezeigt hatte. Nur waren leider die beiden Erscheinungen nicht identisch, und die Unterschiede zeigten sich grade an den entscheidenden Punkten. So genügen gewisse allgemeine Überlegungen, wie die Umkehrbarkeit einer durch einen Vektor gekennzeichneten Erscheinung, die Isotropie und die Stetigkeit, um bis auf zwei willkürliche Koeffizienten die Form der partiellen Differentialgleichungen zu bestimmen, denen der Vektor genügt. Demzufolge begegnen uns entsprechende Gleichungen in den verschiedensten Gebieten der mathematischen Physik, z. B. in der Wärmelehre, beim Potential, beim Gleichgewicht elastischer Körper usw., ohne daß man deswegen auf einen Zusammenhang dieser Erscheinungen schließen würde können.

Um nun von den Gleichungen für den als elastisch aufgefaßten Äther zu den Gleichungen von Fresnel überzugehen, muß man einer der Konstanten einen unmöglichen Wert beimessen: der Widerstand des Körpers gegen eine gleichförmige Zusammendrückung, oder, was das selbe besagt, die Geschwindigkeit der Längsschwingungen soll null sein! Cauchy und Green haben daher diese Hypothese verworfen und im Gegenteil den Äther als unzusammendrückbar angenommen, so daß Kompressionswellen nicht entstehen können. Um folgerichtig zu verfahren, müßte man im Rahmen dieser letzteren Hypothese einen hydrostatischen Druck einführen, den Faktor von Lagrange, welcher der Bedingung der Inkompressibilität entspricht. Aber in diesem Falle stimmt die Rechnung nicht mehr mit den Formeln von Fresnel überein. Man ließ daher ohne viel Aufhebens diesen Druck beiseite. Das ist aber nicht alles. Unter den Bedingungen, die an der Trennfläche der beiden Körper erfüllt sein müssen, finden sich solche – die Stetigkeitsbedingungen -, welche der Optik und der Elastizitätslehre gemein sind; das sind jedoch grade jene, die in keiner Weise kennzeichnend sind und die die physikalischen Konstanten der beiden Körper nicht enthalten. Dagegen mußte man die Bedingungen fallen lassen welche diese Konstanten enthalten, weil sie mit den Beobachtungen von Fresnel unvereinbar waren. Man ersetzte sie durch andere, welche neue Annahmen in sich schließen: namentlich hat die Atomhypothese es Kirchhoff erlaubt, die einleuchtendste mechanische Deutung dieser schwierigen Angelegenheit zu geben.

Später fand Lord Kelvin, daß trotz all dieses Zurechtdrückens die These der Inkompressibilität bei Kristallen zu nichts Rechtem führe, und ging auf die von Cauchy und Green verworfene Annahme eines unendlich kompressiblen Äthers zurück: er zeigte, daß diese Annahme nicht notwendig absurd ist, wenn der Äther als unendlich angenommen wird. Sonderbar bleibt sie immerhin, denn sie läuft darauf hinaus, die ganze potentielle Energie des Äthers den Richtungsänderungen seiner Volumelemente zuzuschreiben, obwohl diese Änderungen für die Elastizität endlicher fester Körper völlig belanglos sind und im Fall des Äthers nur eine wenigstens scheinbare Rolle spielen können, weil dieser sich laut Hypothese in seiner Gesamtheit nicht wie ein fester Körper verhalten kann.

Es bleibt noch die Schwierigkeit, daß eine unendlich kleine Zusammendrückung eine endliche Dichteänderung in einem Ätherpunkt bewirken soll. Lord Kelvin nimmt daher an, daß die Ätherenergie Glieder enthält, die sich der Zusammendrückung widersetzen, aber von höherer als zweiter Ordnung sind, so daß sie in der Optik, die mit unendlich kleinen Verformungen arbeitet, vernachlässigt werden können. Die Grenzbedingungen fallen nunmehr mit denjenigen von Fresnel zusammen. Weitere Schwierigkeiten scheinen nicht zu bestehen, und wenn auch der Begriff eines elastischen Äthers bei der Entdeckung der optischen Gesetze keine Dienste geleistet hatte, so schien er doch dieselben nachträglich zu deuten. Jedoch gab Lord Kelvin diese Hypothese auf zugunsten einer verfeinerten, nämlich der Annahme eines gyrostatischen Äthers, und zwar hat ihn wohl die von Maxwell entdeckte Übereinstimmung zwischen den Lichterscheinungen und den elektrischen Schwingungen dazu bewogen.

Maxwell ging bekanntlich von dem durch Faraday ausgesprochenen Grundsatz aus, daß die elektrischen und elektromagnetischen Anziehungen und Abstoßungen nicht auf eine Fernwirkung, sondern auf eine Art Druck zurückgehen, welche von dem umgebenden Medium auf die Ladungsträger ausgeübt wird. Dieses Medium selber wird von einem Punkt zum andern durch die Anwesenheit elektrischer Ladungen verändert. Maxwell zeigte, wie die elektrischen Gleichungen umgeformt und ergänzt werden müssen, damit sie diesem neuen Gesichtspunkt genügen. Für die elektrischen Schwingungen fand er genau die von Fresnel aufgestellte Gleichungsform und deren Nebenbedingungen – nicht mehr nur,wie mit der Theorie des elastischen Äthers, ein beinah Gleiches. Die auf rein elektrischem Weg bestimmten Konstanten waren genau jene der Optik. Mit dieser schönen Entdeckung war die elektromagnetische Lichttheorie geboren. Diese läßt zwar die Möglichkeit einer mechanischen Erklärung durch mechanische Eigenschaften des Äthers offen, fordert aber, daß sich eine solche Erklärung gegebenenfalls nicht nur auf die Optik, sondern, entsprechend verwickelter, auch auf die Gesetze der Elektrizität und des Magnetismus anwenden lasse. Für ruhende, stromdurchflossene Körper hat Maxwell selber eine solche Erklärung gegeben; daß er aber dem Äther eine äußerst verwickelte Struktur geben mußte, ist mehr als ein Hinweis auf die Schwierigkeit der Frage, denn als eine Lösung zu werten. 

Für bewegte Körper und für elektrostatische Wirkungen hat Maxwell keine entsprechende Deutung finden können, und in seiner endgültigen Fassung der Theorie hat er dementsprechend diese seine ursprüngliche Deutung fallen gelassen Es ist schwer zu sagen, wie weit seine Spekulationen über die Struktur des Äthers ihm bei seinen Entdeckungen geholfen haben. Eine enge Beziehung zwischen Licht und Elektrizität war schon von Gauß vermutet worden, und die bedeutende Entdeckung von Wilhelm Weber und Kohlrausch, daß das Verhältnis der elektrostatischen und der elektrodynamischen Einheit gleich der Lichtgeschwindigkeit ist, hatte schon den berühmten Mathematiker B. Riemann zu Grübeleien über den Gegenstand veranlaßt und auch Maxwell beeindrucken müssen.

Da die Gleichungen der Optik nur ein Sonderfall der elektrodynamischen Gleichungen sind, müssen die mechanischen Deutungen der letzteren bloße Verallgemeinerungen der mechanischen Lichttheorien sein. Die Auswahl ist indessen klein, und trotz der Arbeit zahlreicher Forscher, unter ihnen Lord Kelvin vor allem, ist keine Lösung gefunden worden. Ich übergehe dabei, wohlverstanden, die geistreichen und gesuchten Mechanismen zur Deutung dieses oder jenes Sonderfalles, auch die allgemeinen Überlegungen, in denen sinnenhaft nicht wahrnehmbare Massen auftreten, deren genaue Bewegung nicht angegeben wird, da es angeblich nur auf ihre kinetische und potentielle Energie ankomme. Es ist allerdings gesagt worden, daß es genügt nachzuweisen, daß das Prinzip des kleinsten Zwanges gilt, wenn Glieder dieser Art in die Systemenergie eingeführt werden, um die Rückführbarkeit auf die Gesetze der Mechanik dargetan zu haben. Dabei muß man aber Folgendes im Auge behalten: wenn man Fernwirkungen zwischen den Teilen dieses Mechanismus ausschließt und außerdem die Undurchdringbarkeit und Unzerstörbarkeit der unsichtbaren Massen fordert, hört diese Rückführung im allgemeinen auf, möglich zu sein, und das Problem ist so ungelöst wie vorher. 

Die Schwierigkeit des Überganges von einer elastischen Lichttheorie zu einer elektrodynamischen ist leicht ersichtlich. Überall, wo eine elektrische Ladung vorhanden ist, werden die Gleichungen inhomogen: unabhängig von den über Bewegung und Verformung des Äthers in einem gegebenen Feld gemachten Annahmen läuft alles so ab, wie wenn zu den elastischen Wirkungen eine weitere Kraft hinzukäme, welche die elektrische Ladung auf den sie berührenden Äther ausübt. Betrachten wir etwa eine kugelförmige elektrische Ladung. Ihre Wirkung auf den umgebenden Äther wird aus Symmetriegründen auf einen Druck oder eine Spannung radialer Richtung hinauslaufen. Ist der Äther nicht zusammendrückbar – eine der beiden in der Optik zulässigen Annahmen – so wird ihn dieser Druck nicht beeinflussen. Ist er dagegen – nach der Annahme von Lord Kelvin – unendlich kompressibel, so wird sich ein ständiger Ätherfluß radial einstellen und es muß auf die Unzerstörbarkeit des Äthers verzichtet werden. 

Soll man, wie in der Optik, zu Gliedern höherer Ordnung Zuflucht nehmen? Solche Glieder können hier nicht mehr als vernachlässigbar gelten, weil gerade von ihnen die Erscheinungen abhängen; wir würden uns also in Widerspruch zu den elektrischen Gesetzen begeben, welche solche Glieder nicht zulassen. Poincaré (Electricité et optique, Paris 1901) hat den allgemeinen Charakter dieser Schwierigkeiten deutlich herausgestellt, und deren Lösung blieb aus, selbst in der Larmor’schen Theorie, Diese letztere beruht auf der Annahme eines gyrostatischen Äthers, die eine kurze Erörterung verdient. Wenn ein Apparat eine in schnelle Umdrehung versetzte Masse enthält, so sucht er bekanntlich seine Richtung zu bewahren und bietet der Hand, die seine Richtung zu ändern sucht, einen Widerstand. Ebenso widersteht ein Kreisel der Schwerkraft, die ihn erst dann zu Boden zieht, wenn er durch Reibung genügend von seiner Rotationsgeschwindigkeit verloren hat. Nehmen wir eine solche rotierende Masse in jedem Volumelement des Äthers an, so wird ein solches einer Richtungsänderung einen gewissen Widerstand leisten, genau das, was die Optik braucht, wenn man auf die Inkompressibilität verzichtet. Diesen genialen Gedanken hat Larmor auf die elektrischen Erscheinungen angewandt, ohne aber mit allen Schwierigkeiten fertig zu werden (Poincaré a. a. 0. ), und unersichtlich bleibt, wie sich der Begriff der elektrischen Ladung aus solchen Überlegungen ergibt – man wolle denn auf die Unzerstörbarkeit des Äthers verzichten. Es ist tatsächlich bemerkenswert, daß man, wenn man die Materie als eine ständige Quelle oder Versickerungsstelle von Äther auffaßt, mit Riemann (dessen Untersuchungen Brill wiederaufnahm) zu einer hydrostatischen Erklärung der in der Elektrostatik und Gravitation auftretenden Anziehungen und Abstoßungen kommt, Aber das Wort „Erklärung“ ist hier fehl am Platz: es handelt sich hier bestenfalls um eine Entsprechung. 

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