WALTER RITZ
Über die Rolle
des Äthers
in der Physik
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.
Un
jour viendra sans doute où
l'éther sera rejeté
comme inutile.
H. Poincaré, La
Science et l'Hypothèse.
Unter den wichtigsten und am
allgemeinsten anerkannten physikalischen Theorien spielen zwei eine
ganz besonders grundlegende Rolle: die Atom- und die Äther-hypothese.
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 1) 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 3o 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.
Die Schwerkraft, die wir bisher beiseite
ließen, bedeutet eine weitere Verwicklung, Wenn ein beliebiges
Medium, das jedem äußern Einfluß entzogen wurde,
eine Verformung erleidet, so verlangt seine Stabilität, daß
seine potentielle Energie zunehme. Nun hat aber Maxwell darauf
aufmerksam gemacht, daß in einem Schwerefeld diese Energie im
Gegenteil abnähme; er hat daher angenommen, daß seine
Begriffswelt auf die Schwerkraft nicht angewendet werden könne.
Diese bliebe mithin noch unerklärlicher als die elektrischen
Erscheinungen. Einen Ausweg böte nur der Verzicht auf die
Unzerstörbarkeit des Äthers. Der Gedanke von Lesage, im
Äther eine Art sehr verdünnten Gases zu sehen, wobei sich
die materiellen Körper gegenseitig gegen die Stöße
der Ätherteilchen abschirmen und so gegeneinander gedrängt
werden, vermag wahrscheinlich die Gravitation nicht zu erklären,
ist aber auf jeden Fall ganz unvereinbar mit den Gesetzen der Optik.
Zu erwähnen wären noch die Arbeiten von Bjerknes, der, wie
schon andere, an eine Entsprechung zwischen der Gravitation und einem
System vibrierender Körper denkt, die in eine inkompressible
Flüssigkeit eingetaucht sind, und namentlich Kugeln in Erwägung
zieht, die sich abwechselnd ausdehnen und zusammenziehen. Hier müßten
alle Teilchen oder Kügelchen in Periode sowohl wie Phase
übereinstimmen, was noch rätselhafter wäre als die
Schwerkraft selber.
Fassen wir zusammen, so hat keine einzige
mechanische Deutung des Äthers zum Ziel geführt. Auch der
Erfahrung konnte die der Theorie versagt gebliebene Lösung nicht
entnommen werden. Viele Versuche wurden unternommen, um durch
Interferenz eine Ätherbewegung aufzuzeigen, sei es in der
Nachbarschaft magnetischer oder geladener Körper, die in rasche
Umdrehung versetzt worden sind, sei es in einem Feld Hertz'scher
Schwingungen. Das stets negative Ergebnis, das zum versagen der
Theorie und zu den erwähnten Schwierigkeiten hinzukam, hat
zahlreiche Forscher veranlaßt, endgültig auf eine
mechanische Auffassung des Äthers zu verzichten und aus ihm zu
machen was Drude einen physikalischen Raum nannte, d.
h. einen Raum, der sich von dem der Geometrie dadurch unter scheidet,
daß er der Sitz einer besonderen Energie ist, der
elektromagnetischen Energie, Sein Zustand ist durch "elektrische
Kraft" und "magnetische Kraft" beschrieben, Aufrichtig
gesagt, erzeugen diese Vektoren laut Hypothese in diesem Raum keine,
der Wahrnehmung zugängliche, Änderung. Daher ist die Frage
berechtigt, was an solchen Aussagen Wirklichkeitssinn hat und was
bloßes Spielen mit Worten ist, wenn man weiterhin von einer
"Wirkung" dieses Mediums auf die Körper spricht. Diese
Frage prüfen wir anhand der elektrodynamischen Theorie von
Lorentz, die auf dieser Ätherauffassung beruht. Wir werden
finden, daß die bereits bescheidene Rolle des Äthers
weiter zusammenschrumpft, und von Abstraktion zu Abstraktion gelangen
wir dazu, darin nur noch ein System absoluter Koordinaten zu sehen,
ein mathematisches Gespenst, das seinerseits nicht vor der Erfahrung
besteht.
Der Äther wird, wie gesagt, als ein
Vorratslager der gesamten elektrodynamischen, optischen usw. Energie
angesehen. Da wäre nun zu erwarten, daß einzelne im
Endlichen oder Unendlichen gelegene Punkte des Äthers die Quelle
elektrodynamischer Störungen wären. Ein strahlender Körper,
statt dauernd Energie zu verlieren, könnte deren auch durch den
Zufluß von Wellen gewinnen, die bei ihm zusammenlaufen,
folglich aus dem Unendlichen kommen. Ein solcher Apparat, der Energie
aus dem Äther bezieht, ohne daß andere Körper eine
entsprechende Menge von Energie verlieren, wäre sehr kostbar: er
wäre ein perpetuum mobile. Man zeigt leicht -
siehe für Einzelheiten meine "Untersuchungen zur allg.
Elektrodynamik" - daß die Gleichungen von Maxwell, Hertz
und Lorentz tatsächlich solche Lösungen zulassen, was
gegenüber diesen Theorien ein starkes Bedenken rechtfertigt, um
so mehr, als zur allgemeingültigen Ausschaltung dieser Lösungen
zusätzliche Annahmen eingeführt werden müssen, die
einer strengen Kritik kaum standhalten. Für die Theorien von
Maxwell und Hertz war dies bisher überhaupt nicht möglich;
für diejenige von Lorentz kommt man mit der Annahme durch, daß
jede Lösung, die nicht in die Form retardierter Potentiale
übergeführt werden kann, also in die Form von Wirkungen der
verschiedenen Ladungselemente, die ganz den vormaxwellschen
Fernwirkungen entsprechen, aus geschlossen sind.
Wir sind
somit wieder bei den alten Fernwirkungen angelangt, an deren
Ausmerzung aus der Theorie Maxwell so viel gelegen hatte. Bemerken
wir noch, daß keine Aussage, die dieser Annahme gleichwertig
und mit der Begriffswelt Maxwell's besser verträglich wäre,
als möglich erscheint. Die Schwierigkeit ist in der Tat
wesentlich: die neue Hypothese macht die elektromagnetischen
Erscheinungen wesentlich unumkehrbar, während die ursprünglichen
Gleichungen die Umkehrbarkeit behaupteten. Nehmen wir aber einmal die
Hypothese als Erfahrungstatsache hin: dann können die
Gleichungen vollständig integriert werden, und das Feld, der
elektrische und der magnetische Vektor fallen, wie Lorentz selber
bemerkt hat, aus dem Ergebnis heraus, das nur noch Beziehungen des
Raumes und der Zeit ausspricht, in welchen gewisse unveränderliche
Koeffizienten, genannt elektrische Ladungen, auftreten. Diese
retardierten Wirkungen können völlig die
partiellen Differentialgleichungen ersetzen, während das
Umgekehrte nicht zutrifft. So haben wir uns in der Optik nicht mehr
darum zu kümmern, was im reinen Äther geschieht. Alles läßt
sich auf Wirkungen zurückführen, die von beweglichen
Ladungen oder Ionen der Lichtquelle auf jene des Schirmes, des
optischen Apparates, der Netzhaut, der lichtempfindlichen Schicht
ausgeübt werden. Den Ätherpunkten entsprechen nicht mehr,
wie Huygens und Fresnel meinten, ebenso viele, nach allen Richtungen
neue Wellen aussendende Erschütterungspunkte: nur die geladenen
Stellen sind Ausgangspunkte von Wellen; trotzdem führen beide
Arten der Betrachtung in Übereinstimmung mit der Erfahrung zu
dem gleichen Ergebnis. Die Rolle des Äthers ist in den beiden
Theorien jedoch sehr verschieden. Bei Lorentz bedeutet er nur noch
ein absolutes Bezugssystem, in bezug auf welches alle in die Rechnung
eingehenden Geschwindigkeiten gemessen werden, Der Äther, der
sein Dasein durch von ihm ausgehende Wellen hätte erweisen
sollen, entzieht sich uns einmal mehr.
Man wird zugeben, daß
wir sehr weit von den Anschauungen abgekommen sind, zu denen das
Studium der Natur die Forscher ansonsten geführt hat. Und es ist
nicht verwunderlich, daß die wiederholt mit äußerster
Sorgfalt und Genauigkeit beigezogene Erfahrung keine Bestätigung
einer so sonderbaren und abstrakten Theorie liefert, Die doch so
schnelle Bahnbewegung der Erde hat in der Optik und Elektrik keinen
Einfluß auf die Erscheinungen, so wenig wie in der Mechanik,
Die Lorentz'sche Theorie deutet nur einen dieser Befunde, Daher hat
Lorentz nach zusätzlichen Annahmen gesucht, die es ermöglichen,
daß die gleichförmige Translationsbewegung eines Systems
streng ohne Einfluß bleibt. Er hat gefunden, daß es
notwendig ist:
erstens, auf die Existenz von Körpern, deren starre Abmessungen durch eine Bewegung nicht verändert werden, zu verzichten, obwohl dieser Begriff die Grundlage der Geometrie bildet;
zweitens, auf die Unveränderlichkeit der Masse zu verzichten diese soll, wie in der ursprünglichen Theorie von Lorentz, eine Funktion der Geschwindigkeit sein 2);
drittens, aus der Zeit, der Gleichzeitigkeit, der Gleichheit zweier Zeiträume völlig relative Begriffe zu machen, die je nach der Bewegung des Beobachters verschieden sind;
viertens, auf das
Geschwindigkeitsparallelogramm zu verzichten, das demnach nur eine
bei kleinen Geschwindigkeiten erlaubte Annäherung wäre:
zwei Elektronen, die von einem Stückchen Radium in
entgegengesetzter Richtung ausgestrahlt würden mit einer
Geschwindigkeit von je 250000 km/sec, hätten demnach nicht die
relative Geschwindigkeit von 500000 km/sec zu einander, sondern von
etwa 296000 km/sec..., mit andern Worten, diese Ausdrücke hätten
künftig einen völlig andern Sinn.
Werden die
Physiker leichten Herzens derartige Erschwerungen in Kauf nehmen, nur
um den Äther und die Maxwell'schen Gleichungen, oder das Wenige,
was von ihnen bleibt, zu retten? Werden sie nicht eher sagen, daß
das zur Deutung der Nichtsofortigkeit der Lichtwirkung erfundene
Ätherbild, statt neue Ergebnisse vorauszusagen, die hinterher
durch die Erfahrung bestätigt würden - wie es für die
Atomtheorie und jede wertvolle Theorie zutrifft - nicht einmal die
bisherigen Erfahrungen zu deuten vermocht und außerdem immer
neue Schwierigkeiten gezeitigt hat?
Die Emanationstheorie des
Lichts kannte keine absolute Bewegung. Geht man dagegen von einer
Lichtfortpflanzung aus, die nur in einem von materiellen Körpern
verschiedenen, raumerfüllenden Medium vor sich gehen kann, so
ergibt sich notwendig eine absolute Bewegung; aus der Erfahrung wäre
somit grade nicht auf eine Fortpflanzungsbewegung zu schließen.
Wir werden dazu geführt, die Lichtenergie als fortgeschleudert
und nicht als fortgepflanzt zu betrachten, kommen also in gewissem
Sinn auf eine Emanationstheorie des Lichts und der Elektrizität
zurück, aber in einer völlig neuen Form und ohne einen
Augenblick zu vergessen, daß es sich um ein Bild handelt, das
uns den zeitlichen Aufschub der optischen und elektrischen Wirkung
begreiflich macht, welcher einzig unsern Erfahrungsgegenstand
ausmacht. Dieses Bild entspricht auch dem Bedürfnis unseres
Denkens, überall den Substanzbegriff einzuführen, in
welchem die alten Fluiden wurzelten. Vom Standpunkt der klassischen
Wellentheorie konnte dieses Bedürfnis nicht befriedigt werden;
anders ist es unter den neuen, auf Lorentz fußenden
Gesichtspunkten. Insbesondere in der Optik wird uns die Vorstellung
retardierter Elementarwirkungen erlauben, das Problem in zwei
Teilprobleme aufzuspalten: man wird zunächst die analytische
Formel beibehalten, welche die Summe der Einwirkungen auf ein Ion
ausdrückt, die von der Lage und (periodischen) Beschleunigung
anderer Ionen in bestimmten früheren Zeitpunkten abhängen;
alsdann werden wir unter den verschiedenen Ausbreitungsgesetzen, die
aus der Emanationstheorie folgen und alle mit dem Grundsatz der
Relativität der Bewegung vereinbar sind, dasjenige wählen,
welches der Erfahrung entspricht. Die "früheren
Zeitpunkte", d. h. Emissionszeitpunkte gemäß dem
neuen Gesetz werden nie stark von den durch das Lorentz'sche Gesetz
geforderten, auf das absolute Bezugssystem gegründeten,
abweichen; in vielen Versuchen, in denen die Geschwindigkeiten
vernachlässigbar sind,wird volle Übereinstimmung herrschen.
Die Ätherwellen werden einfach durch die in der Zeit und im
Raume periodische Verteilung der Emanation ersetzt werden. Ich habe
übrigens in den "Untersuchungen zur allg. Elektrodynamik"
gezeigt, daß man auf dieser Grundlage nicht eine, sondern
unendlich viele elektrodynamische Theorien aufstellen kann: indem man
einerseits die Elektronentheorie und die andern durch Lorentz
eingeführten, an sich fruchtbaren, Theorien, anderseits auch
sein Superpositionsprinzip beibehält, wird man auf der einen
Seite den Einfluß der verschiedenen Glieder, die in ihrer
Gesamtheit Ausdruck der auf ein Elektron ausgeübten Kraft sind,
auf der andern Seite das Ausbreitungsgesetz untersuchen, um die sehr
weitreichenden Änderungen zu bestimmen, die angebracht werden
dürfen, ohne daß ein Widerspruch zu den bisherigen
Erfahrungen auftritt. Dieses Zurückgreifen auf ältere
Vorstellungen bedeutet im ganzen nur die natürliche
Weiterführung einer Entwicklung, in welcher Lorentz einen
bedeutenden Platz einnimmt und die uns Schritt für Schritt von
den ursprünglichen Ideen von Maxwell weg und zur Betrachtung der
elektrischen Ladung und zur Zurückdrängung des Einflusses
des Mediums geführt hat. Es geht wohlverstanden nicht um eine
Rückkehr zur Fernwirkung; aber gleichgültig, ob man als
Übertragungsmittel einen "physikalischen Raum" oder
eine fiktive Emanation wählt, vom Augenblick an, wo die durch
eine elektrische Ladung ausgeübte Wirkung von der Anordnung und
dem Zustand des Mittels in deren unmittelbarer Umgebung abhängt,
kann nicht von Fernwirkung gesprochen werden. Dieser Feststellung
kommt im Rahmen der neuen Hypothese vielleicht sogar ein höherer
Wirklichkeitsgehalt zu als in der alten. Denn der Äther wird in
der Lorentz'schen Schau, wie wir gesehen haben, durch die Einwirkung
der Materie nicht verändert: er ist unbeweglich. Dagegen wird
die Materie durch den Äther in Bewegung gesetzt, dem Grundsatz
actio = reactio wird somit nicht genügt. Nun hat
Poincaré gezeigt, daß dieser Grundsatz wiederhergestellt
wird, wenn man der Strahlung einen Impuls beimißt. Ihm zufolge
erleidet, ein System, das Energie in eine gewisse Richtung
ausstrahlt, einen Rückstoß. Diesen Rückstoß
haben die Versuche über Strahlungsdruck nachgewiesen. Ist es nun
nicht natürlicher, diesen Impuls einer fortgeschleuderten, statt
einer fortgepflanzten Energie zuzuschreiben? Die Emanation wird dann
auf die Ladungsträger wirken, aber ihre eigene Bewegung wird
nach dem Grundsatz actio = reactio geändert,
wenigstens im allgemeinen Fall; und diese Änderung, z. B. die
Reflexion des Lichtstrahls, der auf den Spiegel einen Strahlungsdruck
ausübt, wird sinnlich wahrnehmbar sein, während die des
Äthers, wenn sie bestände (wie in der Theorie von Hertz)
nicht wahrnehmbar wäre. Poincaré zufolge scheint in der
Äthertheorie das Prinzip "actio = reactio"
mit den Versuchen von Fizeau über Wellenmitführung durch
bewegte Körper nicht vereinbar zu sein; die Hertz'sche Theorie
wäre mit dem Prinzip vereinbar, aber unvereinbar mit dem
Versuchs-ergebnis von Fizeau; die Theorie von Lorentz genügt dem
Prinzip nicht, deutet aber den Versuch von Fizeau. In der neuen
Theorie ist es umgekehrt: unterdrückt man die Reaktion der
Elektrizität auf die Emanation, so stimmt die Theorie nicht mehr
mit der Erfahrung überein.
Ich schließe. Der
Erfahrung haben wir nie die Spur eines Etwas entnehmen können,
das die materieleeren Räume erfüllen würde. Es ist uns
freilich unbenommen, ein als Vehikel der von den Körpern
ausgehenden Wirkungen dienendes Mittel anzunehmen, und diese
Vorstellung könnte sogar sehr nützlich sein, sofern man sie
nicht zu ernst nimmt, d. h. nicht vergißt, daß es sich
bloß um eine gedankliche Hilfskonstruktion handelt, die
aufgegeben werden muß, sobald die Erfahrung oder die Ökonomie
des Denkens es verlangen.
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Anmerkungen:
1) Siehe insb. den Aufsatz von Ostwald in Scientia Nr. 1, S.16.
2) Verzichtet man auf die absolute Bewegung und den Äther, so lassen die Versuche von Kaufmann nicht mehr auf die Veränderlichkeit der Masse schließen. Die Masse mag elektromagnetischen Ursprungs sein, sie ist jedenfalls gleichbleibend und nur die Kräfte ändern sich mit der Geschwindigkeit.