Quelltext der Seite Michelson–Morley-Experiment

[[Datei:Ätherwind.svg|mini|Wenn elektromagnetische Wellen an einen ruhenden Äther gebunden wären, müsste man die Eigenbewegung von Erde und Sonne als ''Ätherwind'' messen können.]]

Das '''Michelson-Morley-Experiment''' war ein physikalisches [[Experiment]], das vom amerikanischen [[Physiker]] [[Albert A. Michelson]] 1881 in [[Potsdam]] und in verfeinerter Form von ihm und dem amerikanischen Chemiker [[Edward W. Morley]] 1887 in [[Cleveland]] im [[Bundesstaat der Vereinigten Staaten|US-Bundesstaat]] [[Ohio]] durchgeführt wurde.<ref name="michel1">{{Literatur |Autor=A. A. Michelson |Titel=The Relative Motion of the Earth and the Luminiferous Ether |Sammelwerk=American Journal of Science |Band=22 |Datum=1881 |Seiten=120–129 |Kommentar=[[s:en:The Relative Motion of the Earth and the Luminiferous Ether|Wikisource]] |Sprache=en}} Siehe auch deutsche Übersetzung: {{Literatur |Autor=A. A. Michelson |Titel=Die Relativbewegung der Erde gegen den Lichtäther |Sammelwerk=Die Naturwissenschaften |Band=19 |Nummer=38 |Datum=1931 |Seiten=779–784 |DOI=10.1007/BF01528662 |Übersetzer=[[Clara von Simson]] |Sprache=de}}</ref><ref name="michel2">{{Literatur |Autor=A. A. Michelson & E. W. Morley |Titel=On the Relative Motion of the Earth and the Luminiferous Ether |Sammelwerk=American Journal of Science |Band=34 |Datum=1887 |Seiten=333–345 |Online=[[s:en:On the Relative Motion of the Earth and the Luminiferous Ether|Wikisource]] |Sprache=en}}
Siehe auch deutsche Übersetzung der 1881- und 1887-Arbeit ({{archive.org|Michelson-Morley-Experiment}}).</ref>

Das Michelson-Morley-Experiment hatte zum Ziel, die [[Geschwindigkeit]] der [[Erde]] relativ zum [[Äther (Physik)|Lichtäther]] auf ihrer [[Erdbahn|Bahn]] um die [[Sonne]] nachzuweisen oder, anders ausgedrückt, die Geschwindigkeit des Äthers relativ zur Erde („Ätherwind“). Beim Lichtäther handelte es sich um ein hypothetisches Medium, in dem sich [[Licht]]wellen analog zu [[Wasserwelle]]n und [[Schall]]wellen ausbreiten sollten. Das Experiment ergab eine obere Grenze von 5–8&nbsp;km/s für diese Relativgeschwindigkeit, was zeigte, dass die „Bewegung gegen den Äther“ keinen Einfluss auf die [[Lichtgeschwindigkeit|Geschwindigkeit des Lichts]] hatte, denn dieser Wert war zu klein, um mit dem gesuchten „Ätherwind“ in Verbindung gebracht zu werden. Das Michelson-Morley-Experiment zusammen mit anderen Experimenten wie dem [[Fizeau-Experiment]] oder dem [[Trouton-Noble-Experiment]] zeigte die Probleme der bis dahin verfolgten Ätherphysik. Diese Problematik konnte erst durch die [[Spezielle Relativitätstheorie]] gelöst werden, in der auf den Äther und ein damit verbundenes bevorzugtes [[Bezugssystem]] verzichtet wird. Deswegen gilt es als ein Schlüsselexperiment, ein ''[[Experimentum crucis]]'', auf dem Weg hin zur Entstehung der Speziellen Relativitätstheorie.<ref>z. B. {{" |lang=en |Text=One of the most famous optical experiments ever performed.|Übersetzung=Eines der berühmtesten Optik-Experimente, die jemals ausgeführt wurden}}, Swenson, Artikel Michael Morley Experiment in Lerner, Trigg (Hrsg.): ''Encyclopedia of Physics.'' VCH 1990.</ref><ref>Albert Einstein, Leopold Infeld: ''Evolution der Physik.'' Rowohlt Verlag, 1956, S. 118.</ref> Der negative Ausgang des Experiments war für [[William Thomson, 1. Baron Kelvin|Lord Kelvin]] in einem Vortrag von 1900 eines von zwei hartnäckigen verbliebenen Problemen („Wolken“) in der Physik des 19. Jahrhunderts.<ref>Kelvin, ''Nineteenth-Century Clouds over the Dynamical Theory of Heat and Light'', Vortrag vor der Royal Institution am 27. April 1900. Abgedruckt mit Ergänzungen in seinen ''Baltimore lectures on molecular dynamics and the wave theory of light'', Baltimore, Johns Hopkins University, London: Clay and Sons, 1904, Appendix B, S. 486ff, [https://archive.org/details/baltimorelecture00kelviala Internet Archive], und in Philosophical Magazine, Serie 6, Band 2, Juli 1901, S. 1–40.</ref>

Seither wurde das Experiment mit unterschiedlichen Techniken und beträchtlich erhöhter Genauigkeit wiederholt. Dabei wurden im Rahmen der [[Messabweichung|Messgenauigkeit]] [[Nullresultat]]e erzielt und somit die Folgerungen aus dem ursprünglichen Experiment bestätigt. So konnten relative Abweichungen der Lichtgeschwindigkeit vom Wert der Lichtgeschwindigkeitskonstante in der Größenordnung von 10<sup>−17</sup> ausgeschlossen werden.<ref name="Eisele" /><ref name="Herrmann2" /> Für weitere Experimente vgl. [[Tests der speziellen Relativitätstheorie]].

== Überblick ==
Um die Relativgeschwindigkeit von Erde und Äther festzustellen, wurde ein Lichtstrahl über einen [[Teilerspiegel|halbdurchlässigen Spiegel]] auf zwei verschiedene Wege getrennt, reflektiert und am Ende wieder zusammengeführt, sodass sich ein [[Interferenz (Physik)|Interferenzmuster]] [[Stehende Welle|stehender Lichtwellen]] bildete ([[Michelson-Interferometer]]). Aufgrund der Bewegung der Erde im Äther ergäbe sich, dass ein Lichtstrahl in Bewegungsrichtung länger benötigt als ein Strahl senkrecht dazu. Da sich der Apparat als Teil der Drehung der Erde um die Sonne relativ zum vermuteten Äther bewegte, erwartete man Verschiebungen der Interferenzstreifen, wenn der Apparat gedreht wird. [[Albert A. Michelson]] führte das Experiment, das wegen der im Verhältnis zur [[Lichtgeschwindigkeit]] ''c'' geringen Bahngeschwindigkeit ''v'' der Erde nicht einfach war, zuerst 1881 durch, jedoch war hier die Genauigkeit nicht ausreichend, denn Michelson hatte in seinen Berechnungen die Veränderung des Lichtweges senkrecht zur Bewegungsrichtung nicht einbezogen. 1887 wiederholten er und [[Edward W. Morley]] das Experiment mit ausreichender Genauigkeit. Obwohl das Ergebnis nicht vollständig negativ war (zwischen 5 und 8 km/s), war es nach Einschätzung von Michelson und anderen Physikern jener Zeit viel zu gering, um etwas mit dem erwarteten Ätherwind zu tun zu haben. Wenn nicht nur die Relativgeschwindigkeit der Erde zur Sonne von 30 km/s berücksichtigt wird, sondern auch die –&nbsp;zu Michelsons Zeit noch unbekannte&nbsp;– Rotationsgeschwindigkeit des [[Sonnensystem]]s um das [[Galaktisches Zentrum|galaktische Zentrum]] von ca. 220 km/s und die Relativgeschwindigkeit zwischen dem Sonnensystem und dem Ruhesystem der [[Kosmischer Mikrowellenhintergrund|kosmischen Hintergrundstrahlung]] von ca. 377 km/s, so wären nochmals größere Werte zu erwarten. Darüber hinaus haben spätere, bis in die heutige Zeit durchgeführte Messungen die ursprüngliche Methode Michelsons weiter verfeinert und lieferten im Rahmen der Messgenauigkeit vollständige Nullresultate.

[[George Francis FitzGerald]] (1889) und [[Hendrik Antoon Lorentz]] (1892) lieferten mit der [[Lorentzkontraktion]] zunächst eine [[Ad-hoc-Hypothese|Ad-hoc-Erklärung]], wobei angenommen wurde, dass das Interferometer in Bewegungsrichtung relativ zum Äther ''schrumpft'', wodurch die unterschiedlichen Lichtlaufzeiten angeglichen werden. Später erfolgte die Entwicklung der [[Lorentz-Transformation]], die auch die Veränderung der Zeitabläufe bewegter Körper, die [[Zeitdilatation]], enthält. Die darauf aufbauende [[lorentzsche Äthertheorie]] wurde allerdings als unwahrscheinlich eingestuft, da hier der Äther einerseits Grundlage aller physikalischen Phänomene, andererseits jedoch gänzlich unentdeckbar sein soll. Zufriedenstellend erklärt wurde das Ergebnis des Michelson-Morley-Experiments erst durch [[Albert Einstein]]s [[Spezielle Relativitätstheorie]] von 1905, die auch eine Längenkontraktion enthält, jedoch auf die Ätherhypothese verzichtet und als zentrale Postulate das [[Relativitätsprinzip]] und die Konstanz der Lichtgeschwindigkeit in mit beliebiger Geschwindigkeit gegeneinander bewegten Bezugssystemen enthält.

Das Michelson-Morley-Experiment stellt die historisch wichtigste Bestätigung des Relativitätsprinzips dar, wonach die physikalischen Naturgesetze für alle gleichförmig bewegten Beobachter identisch sind. Es zeigt, dass die Lichtgeschwindigkeit unabhängig von der ''Orientierung'' relativ zu einem bevorzugten [[Bezugssystem]] wie dem Äther ist. Doch es stellt für sich genommen keinen vollständigen Beweis für die universelle Konstanz der Lichtgeschwindigkeit dar, wie manchmal angenommen wird:
* Das Nullresultat ist auch verträglich mit Modellen, in denen die Lichtgeschwindigkeit variabel ist. Beispielsweise wurde manchmal angenommen, dass der Äther vollständig an der Erdoberfläche [[Äther (Physik)#Vollständige Äthermitführung|mitgeführt]] wird. Eine andere Möglichkeit wäre eine [[Emissionstheorie]], wonach die Lichtgeschwindigkeit von der Quellengeschwindigkeit abhängt und in allen Inertialsystemen konstant relativ zur Lichtquelle ist. Beide Modelle scheiden jedoch aus, da sie experimentell widerlegt worden sind, wodurch die Relativitätstheorie als einzige Theorie verbleibt, welche alle Experimente erklären kann.
* Auch das Vorhandensein eines Ätherwindes wird durch dieses Experiment nicht vollständig ausgeschlossen. Wären die Interferometerarme im Ruhezustand unterschiedlich lang, würde bei Geschwindigkeitsänderungen des Apparats in Bezug zum bevorzugten Bezugssystem trotz Längenkontraktion ein positiver Effekt auftreten. Deswegen muss ein weiteres Experiment berücksichtigt werden, das [[Kennedy-Thorndike-Experiment]], das genau diese Abhängigkeit von der Apparat''geschwindigkeit'' testet, und dessen negatives Resultat nur mit einer Kombination von Längen- und Zeitveränderungen erklärt werden kann. Für die genaue Bestimmung dieser Größen ist wiederum ein Experiment erforderlich, das die Zeitdilatation direkt misst, beispielsweise das [[Ives-Stilwell-Experiment]]. Aus der Kombination dieser drei Experimente kann die Lorentz-Transformation genau bestimmt werden.

== Das Experiment ==
{{Siehe auch|Michelson-Interferometer}}
Der Ansatzpunkt für Michelson und Morley war, die Relativgeschwindigkeit zu messen, mit der sich die Erde durch einen als ruhend angenommenen Äther bewegt. Wie bei einem [[Flugzeug]], das sich durch die Luft bewegt, wäre hier ein nachweisbarer „Ätherwind“ zu erwarten, da die Erde sich auf ihrer [[Orbit (Himmelsmechanik)|Bahn]] um die Sonne mit etwa ''v'' = 30&nbsp;km/s = 3·10<sup>4</sup>&nbsp;m/s bewegt (immer noch relativ wenig im Vergleich zur Lichtgeschwindigkeit ''c'' von rund 3·10<sup>8</sup>&nbsp;m/s).

Um diesen Effekt zu messen, konstruierte Michelson (1881) ein Interferometer mit zwei senkrecht zueinander stehenden Armen. Die Bewegung des Interferometers im Äther kann entweder aus Sicht eines im Äther ruhenden Beobachters oder eines mit dem Interferometer mitbewegten Beobachters geschildert werden.

=== Im Äther ruhender Beobachter ===

{{Mehrere Bilder
| align     = right
| Richtung = vertical
| Breite     = 300

| Bild1    = Michelson-morley calculations DE.svg
| Bild2    = MichelsonMorleyAnimationDE.gif
| Fußzeile  = Oben: Wellenberge und Wellentäler der vertikalen und horizontalen Lichtstrahlen, die ''gleichzeitig'' ausgesendet wurden, kommen bei Anwesenheit eines Äthers aufgrund unterschiedlicher Laufzeiten ''nicht gleichzeitig'' zurück. Dies führt zu einer Phasenverschiebung. Unten: Direkter Vergleich der unterschiedlichen Laufzeiten, wobei Wellenberge/Wellentäler bzw. [[Photon]]en durch Bälle dargestellt werden.
}}

''In Bewegungsrichtung:'' Das Licht wird von der Lichtquelle ausgesendet und breitet sich mit Lichtgeschwindigkeit <math>c</math> aus, während der zu treffende Spiegel in der Entfernung <math>L</math> startet und sich mit der Geschwindigkeit <math>v</math> relativ zum Äther bewegt. Beim Hinweg trifft der Strahl zum Zeitpunkt <math>t_a</math> beim Spiegel ein und legt dabei den Laufweg <math>ct_a</math> zurück. Bis dahin hat der bei <math>L</math> startende Spiegel die Strecke <math>vt_a</math> zurückgelegt. Es ergibt sich also <math>ct_a =L+vt_a</math> und folglich die Laufzeit <math>t_a=L/(c-v)</math>. Dieselben Überlegungen ergeben für den Rückweg den Zusammenhang <math>ct_b =L-vt_b</math> und die Laufzeit <math>t_b=L/(c+v)</math>. Die Gesamtlaufzeit <math>t_a +t_b</math> ergibt sich mit:

:<math>\begin{align}
t_{1}&=\frac{L}{c-v}+\frac{L}{c+v}=\frac{2cL}{c^{2}-v^{2}}\\
 &=\frac{2L}{c}\frac{1}{1-\frac{v^{2}}{c^{2}}}=\frac{2L}{c}\gamma^2\approx\frac{2L}{c}\left(1+\frac{v^{2}}{c^{2}}\right)
\end{align}</math>

Bei der Näherung (ausgedrückt durch das Zeichen <math>\approx</math>) im letzten Schritt wird ausgenutzt, dass <math>(v/c)^2</math> sehr klein (Größenordnung 10<sup>−8</sup>) ist, wenn für <math>v</math> die Bewegungsgeschwindigkeit der Erde und für <math>c</math> die Lichtgeschwindigkeit eingesetzt werden. Mathematisch handelt es sich dabei um die ersten zwei Terme einer [[Taylor-Entwicklung]] in <math>v/c</math>.

''Senkrecht zur Bewegungsrichtung:'' Auch hier breitet sich der Strahl konstant mit <math>c</math> aus, trifft zum Zeitpunkt <math>t_c</math> beim Spiegel ein, und legt den Laufweg <math>ct_c</math> zurück. Da der Strahl im Ruhesystem des Interferometers so ausgerichtet ist, dass er sich senkrecht nach oben bewegt, wird er im Ruhesystem des Äthers bei Anwendung der [[Galilei-Transformation]] oder unter Berücksichtigung der [[Impulserhaltungssatz|Impulserhaltung]] etwas geneigt sein. Inzwischen hat der mit <math>v</math> sich bewegende Spiegel die Strecke <math>vt_c</math> zurückgelegt, wo er vom Strahl getroffen wird. Folglich ist <math>L</math> der Laufweg des Strahls in y-Richtung und <math>vt_c</math> in x-Richtung, und mit dem [[Satz des Pythagoras]] ergibt sich ein Laufweg von <math>\textstyle \sqrt{L^{2}+\left(vt_{c}\right)^{2}}</math>. Es ist also der Zusammenhang <math>\textstyle ct_c =\sqrt{L^{2}+\left(vt_{c}\right)^{2}}</math> gegeben und folglich die Laufzeit <math>\textstyle t_c =L/\sqrt{c^{2}-v^{2}}</math>, was auch identisch ist mit der Laufzeit für den Rückweg. (Dieser Effekt entspricht dem Schema einer [[Zeitdilatation#Lichtuhr|Lichtuhr]] bzw. der [[Aberration (Astronomie)|Lichtaberration]].) Die Gesamtlaufzeit <math>2t_c</math> ist gegeben mit:

:<math>t_{2}=\frac{2L}{\sqrt{c^{2}-v^{2}}}=\frac{2L}{c}\frac{1}{\sqrt{1-\frac{v^{2}}{c^{2}}}}=\frac{2L}{c}\gamma\approx\frac{2L}{c}\left(1+\frac{v^{2}}{2c^{2}}\right)</math>.

Die Laufzeit <math>t_{2}</math> senkrecht zur Bewegungsrichtung ist also ein wenig kleiner als die Laufzeit <math>t_{1}</math> in Bewegungsrichtung.<ref>{{Literatur |Autor=Feynman, R.P. |Titel=The Feynman Lectures on Physics |Band=2 |Verlag=Addison-Wesley Longman |Ort=Reading |Datum=1970 |ISBN=0-201-02115-3 |Kapitel=The Michelson-Morley-experiment (15-3) |Sprache=en}}</ref>

=== Mitbewegter Beobachter ===

Wird dieses Ergebnis aus der Sicht eines mitbewegten Beobachters geschildert, dann ist die Auswirkung des Ätherwindes auf Lichtwellen nach den Vorstellungen der [[Klassische Physik|klassischen Physik]] genauso wie die Auswirkung einer starken Strömung eines Flusses (Geschwindigkeit <math>v</math>) auf einen Schwimmer, der sich mit konstanter Geschwindigkeit <math>c</math> zwischen zwei Punkten erst flussaufwärts und dann flussabwärts bewegt.<ref name="teller">{{Literatur |Autor=[[Edward Teller]], Wendy Teller, Wilson Talley |Titel=Conversations on the Dark Secrets of Physics |Verlag=Basic books |Datum=2002 |ISBN=0-7867-5237-8 |Seiten=10–11 |Online=[http://books.google.de/books?id=QClyAWecl60C&pg=PA10 Google Books] |Sprache=en}}</ref>

Wenn in diesem Bild der zweite Punkt direkt flussaufwärts des ersten wäre, würde der Schwimmer durch die Strömung zuerst auf <math>c-v</math> verlangsamt und dann beim Rückweg auf <math>c+v</math> beschleunigt werden, und es ergibt sich obige Laufzeit von <math>t_1</math>.

Verliefe die Strecke zwischen Start- und Endpunkt senkrecht zur Strömungsrichtung, müsste der Schwimmer das kompensieren, indem er in einem kleinen [[Winkel]] schräg zu seinem Ziel schwimmt. Seine Geschwindigkeit verringert sich auf <math>\textstyle\sqrt{c^{2}-v^{2}}</math> und es ergibt sich obige Laufzeit von <math>t_2</math>.

Genauso wäre die Auswirkung des Ätherwindes auf einen Lichtstrahl (Geschwindigkeit ''c'') senkrecht zur Windrichtung geringfügig niedriger als für einen Lichtstrahl, der [[Parallel (Geometrie)|parallel]] zum Ätherwind verliefe.

=== Zeitunterschied ===

Der Zeitunterschied zwischen beiden Wegen beträgt nach der obigen Herleitung

: <math>\Delta t = t_1 - t_2 = \frac{2L\gamma}{c}(\gamma-1)</math>

oder in guter Näherung für <math>v \ll c</math>

: <math>\Delta t = t_1 - t_2 = L \frac{v^2}{c^3}</math>

Er ist also umso größer, je länger <math>L</math> ist. Setzt man <math>L = 1\,\mathrm{m}</math>, würde sich mit dem oben angegebenen Wert der Geschwindigkeit der Erde relativ zum Äther ein Zeitunterschied von <math>\Delta t = 3\cdot10^{-17}</math> Sekunden ergeben, verglichen mit einer Schwingungsperiode im Bereich des sichtbaren Lichts von etwa <math>T = 10^{-15}</math> Sekunden. Der Unterschied <math>\frac{\Delta t}{T}</math> läge im Bereich von drei Prozent, die mit dem verbesserten Apparat von Michelson und Morley nachweisbar gewesen wären.

In ihrem Experiment von 1887 bemühten sich Michelson und Morley, die Auswirkungen von Erschütterungen, auf die ihre Messapparatur empfindlich reagierte, so weit wie möglich auszuschalten. Der optische Aufbau bestand aus einer [[monochromatisch]]en [[Natrium]]lichtquelle ([[gelb]]es Licht) für die Justierung, und [[weiß]]em Licht aus einer Lampe für die tatsächliche Messung. Der Lichtstrahl wurde durch einen teilversilberten [[Spiegel]] in zwei Strahlen rechtwinklig zueinander aufgespalten. Nach Verlassen des [[Strahlteiler]]s wurden beide Strahlen jeweils an einem Spiegel [[Reflexion (Physik)|reflektiert]] und auf einem Beobachtungsschirm wieder zusammengeführt. Dort erzeugten sie ein Streifenmuster aus konstruktiver und destruktiver [[Interferenz (Physik)|Interferenz]], das äußerst empfindlich auf Änderungen in der Differenz der optischen Wege der beiden Lichtstrahlen reagiert. Man erwartete, dass diese optischen Wege durch die Bewegung der Erde im Äther beeinflusst würden, sodass sich das Interferenzmuster bei Drehung der die Apparatur tragenden Steinplatte verschieben müsste.

Dreht man das Experiment beispielsweise um 90 Grad, vertauscht die obigen Formeln für die Laufzeiten von <math>t_1</math> und <math>t_2</math>, erhält man einen Zeitunterschied von

: <math>\Delta t = t_2 - t_1 = - L \frac{v^2}{c^3}</math>

Somit ergibt sich ein Laufzeitunterschied von <math>2 \,\Delta t</math> zum Ausgangsexperiment. Dies entspricht einem optischen Weglängenunterschied von

: <math>d = c \cdot 2 \Delta t = 2 L \frac{v^2}{c^2} = 2{,}2 \cdot 10^{-7}\,\mathrm{m}</math>,

falls wie im Experiment von 1887 eine effektive Armlänge des Interferometers von <math>L=11\,\mathrm{m}</math> gewählt wird. Die relative Verschiebung der Interferenzmuster ergibt sich mit z.&nbsp;B. einer Wellenlänge <math>\lambda = 500 \,\mathrm{nm} = 5 \cdot 10^{-7}\,\mathrm{m}</math> als

: <math>\frac{d}{\lambda} = \frac{2{,}2}{5} = 0{,}44</math>

Der Mittelwert von sechs Messreihen, die am 8., 9. und 11. Juli 1887 durchgeführt wurden, betrug statt 0,44 jedoch mit Sicherheit weniger als 0,02 (oder vielleicht sogar weniger als 0,01), was einer Geschwindigkeit von 8&nbsp;km/s (bzw. 5&nbsp;km/s) entsprach. Das Ergebnis war zwar nicht vollständig negativ, jedoch wurde es angesichts des erwarteten, sehr viel größeren Wertes allgemein als ein Nullresultat gewertet.

== Erklärung ==
{{Hauptartikel|Geschichte der speziellen Relativitätstheorie|Geschichte der Lorentz-Transformation}}

=== Lorentzkontraktion und Lorentz-Transformation ===
Der erste Schritt zur Erklärung des Nullresultats wurde von [[George Francis FitzGerald]] (1889) und [[Hendrik Antoon Lorentz]] (1892) durch Einführung der [[Lorentzkontraktion|Kontraktionshypothese bzw. Lorentzkontraktion]] gemacht.<ref>{{cite journal |first=George Francis |last=FitzGerald |year=1889 |title=The Ether and the Earth’s Atmosphere |journal=Science |volume=13 |pages=390 |doi=10.1126/science.ns-13.328.390 |language=en}}</ref><ref>{{Literatur |Autor=Hendrik Antoon Lorentz |Titel=Abhandlungen über Theoretische Physik |Verlag=B.G. Teubner |Ort=Leipzig |Datum=1892 |Kapitel=[[s:Die relative Bewegung der Erde und des Äthers|Die relative Bewegung der Erde und des Äthers]] |Seiten=443–447 |Sprache=de}}</ref> Um unter Verwendung der Idee des Äthers die gleichen Laufzeiten zu erklären, nahmen sie an, dass die Länge der Versuchsanordnung in Bewegungsrichtung relativ zum Äther um <math>L/\gamma</math> verkürzt wird, wo <math>\textstyle \gamma=1/\sqrt{1-v^{2}/c^{2}}</math> als [[Lorentzfaktor]] bezeichnet wird. Lorentz benutzte vor 1904 allerdings nicht exakt diesen Wert, sondern nur Näherungen zweiter Ordnung in <math>v/c</math>. Die Laufzeit in dieser Richtung wird dadurch ebenso verkürzt und ist jetzt gleich lang wie senkrecht zur Bewegungsrichtung, womit das negative Resultat erklärbar wird.  Würde man in der oben angegebenen Formel für <math>t_1</math> die durchlaufene Strecke der Länge <math>L</math> mit diesem Faktor multiplizieren, ergibt sich:

: <math>t_{1}=\frac{2L\sqrt{1-\frac{v^{2}}{c^{2}}}}{c}\frac{1}{1-\frac{v^{2}}{c^{2}}}=\frac{2L}{c}\frac{1}{\sqrt{1-\frac{v^{2}}{c^{2}}}}=t_{2}</math>.

Bei der Längenkontraktion handelt es sich allerdings nur um einen Spezialfall der möglichen Erklärungen. Allgemein muss nur angenommen werden, dass im bewegten Zustand die transversale Länge im Verhältnis <math>\gamma</math> größer ist als die longitudinale Länge, was auf verschiedene Weisen erreicht werden kann. Wenn <math>L_{1}</math> die bewegte longitudinale Länge und <math>L_{2}</math> die bewegte transversale Länge ist, und <math>\textstyle L'_{1}=L'_{2}</math> die Ruhelängen, dann ergibt sich der allgemeine Zusammenhang:

:<math>\frac{L_{2}}{L_{1}}=\frac{L'_{2}}{\phi}\left/\frac{L'_{1}}{\gamma\phi}\right.=\gamma</math>.

<math>\phi</math> ist ein Skalenfaktor, der beliebig gewählt werden kann, deshalb gibt es unendlich viele Kombinationen aus Kontraktionen und Dilatationen, um das Nullresultat zu erklären. Beispielsweise würde bei <math>\phi=1</math> die gewöhnliche Längenkontraktion von <math>L_1</math> eintreten, hingegen bei <math>\phi=1/\gamma</math> bliebe <math>L_1</math> unverändert, wohingegen <math>L_2</math> vergrößert würde. In der Folgezeit wurde die Kontraktionshypothese von [[Joseph Larmor]] (1897), Lorentz (1904) und [[Henri Poincaré]] (1905) durch Modifikationen der Zeitvariablen zur [[Lorentz-Transformation]] weiterentwickelt, um die Resultate des [[Trouton-Noble-Experiment]]s (das von Larmor angeregt worden war, um der Kritik am Michelson-Morley-Experiment insbesondere von [[William Mitchinson Hicks]] zu begegnen<ref>Andrew Warwick: The sturdy protestants of science: Larmor, Trouton  and the earth's motion through the ether, in: Jed Z. Buchwald (Hrsg.), Scientific Practice, University of Chicago Press 1995, S. 300–344</ref>), der [[Experimente von Rayleigh und Brace]] und der [[Kaufmann-Bucherer-Neumann-Experimente|Kaufmannschen Experimente]] zu erklären:

:<math>x'=\gamma\phi(x-vt),\ y'=\phi y,\ z'=\phi z,\ t'=\gamma\phi\left(t-\frac{vx}{c^{2}}\right)</math>

Der weiterhin unbestimmte Faktor <math>\phi</math> wurde schließlich von Lorentz (1904) gleich 1 gesetzt.<ref>{{Literatur |Autor=Lorentz, Hendrik Antoon |Titel=Das Relativitätsprinzip. Eine Sammlung von Abhandlungen |Hrsg=Blumenthal, Otto & Sommerfeld, Arnold |Datum=1913 |Kapitel=[[s:Elektromagnetische Erscheinungen|Elektromagnetische Erscheinungen in einem System, das sich mit beliebiger, die des Lichtes nicht erreichender Geschwindigkeit bewegt]] |Seiten=6–26 |Sprache=de}}</ref>
Generell konnte Poincaré (1905) zeigen, dass die Gesamtheit der Lorentz-Transformationen nur bei <math>\phi=1</math> eine [[Lorentz-Gruppe|Gruppe]] bilden.<ref>{{cite journal |author=Poincaré, Henri |year=1905 |title=Sur la dynamique de l’électron |journal=Comptes rendus hebdomadaires des séances de l'Académie des sciences |volume=140 |pages=1504–1508 |language=fr}}</ref>
Erst dadurch erhalten Längenkontraktion und [[Zeitdilatation]] ihre exakt relativistischen Werte. Die Theorie von Lorentz und Poincaré, die auch [[Lorentzsche Äthertheorie]] bezeichnet wird, begründet also die ''scheinbare'' Gültigkeit des [[Relativitätsprinzip]]s und der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit, aber sie führt zu der Situation, dass der Lichtäther, der die Basis der Theorie bildet, außerhalb jeder experimentellen Überprüfbarkeit steht. Das ist ein Hauptgrund, warum diese Theorie trotz des korrekten mathematischen Formalismus als überholt eingestuft wird.

=== Spezielle Relativitätstheorie ===
Der [[Ad-hoc-Hypothese|Ad-hoc]]-Charakter einer auf den Äther basierenden Kontraktionshypothese (und weitergehend der gesamten lorentzschen Äthertheorie) wurde jedoch bald kritisiert. Lorentz selbst sprach vage von einem Einfluss des Äthers als Ursache und führte als Analogie das bei elektrostatischen Feldern beobachtbare Verhalten an, die in Bewegungsrichtung mit einem geschwindigkeitsabhängigen Faktor kontrahiert sind.<ref>Eine einfache geometrische Konstruktion dafür hatte [[Oliver Heaviside]] 1889 angegeben, vgl. Sexl, Urbantke ''Relativität, Gruppen, Teilchen.'' Springer, S. 96</ref> Wird angenommen, dass die Bindungskräfte in der Materie elektrischer Natur sind, könnte dies die Kontraktion erklären. Lorentz selbst gestand jedoch ein, dass eine solche Annahme keineswegs notwendig sei.<ref>Genauer spricht er davon, dass die für die Form des starren Körpers verantwortlichen molekularen Kräfte „wahrscheinlich“ vom Äther in ähnlicher Weise wie die elektromagnetischen Kräfte übertragen werden. Lorentz ''The Theory of Electrons.'' 1909, zitiert bei Sexl, Urbantke ''Relativität, Gruppen, Teilchen.'' S. 96</ref>

Eine Lösung dieser unbefriedigenden Situation zeigte [[Albert Einstein]] 1905 mit der speziellen Relativitätstheorie (SRT) auf, die er auf Basis zweier Postulate ableitete, nämlich des Relativitätsprinzips und der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit.<ref name="einstein">{{cite journal |author=Albert Einstein |year=1905 |title=Zur Elektrodynamik bewegter Körper |journal=Annalen der Physik |volume=322 |issue=10 |pages=891–921 |url=http://www.physik.uni-augsburg.de/annalen/history/einstein-papers/1905_17_891-921.pdf |language=de}}</ref> Dabei interpretierte er im Gegensatz zu Lorentz und Poincaré diese als Transformation zwischen ''gleichberechtigten'' Raum- und Zeitkoordinaten (also keine Unterscheidung zwischen „wahren“ und „scheinbaren“ Koordinaten) und zeigte damit, dass die Äther-Hypothese überflüssig ist. Die Erklärung des negativen Ausganges des Versuchs entspricht zwar formal der Erklärung der Lorentzschen Äthertheorie, jedoch ist in der SRT die Annahme eines Äthers nicht mehr nötig, und die Lorentzkontraktion ergibt sich als logische Konsequenz der zugrundegelegten Postulate. In einem mit Geschwindigkeit ''v'' bewegten Bezugssystem, in dem das Interferometer ruht, sind die Laufzeiten gleich. Betrachtet man ein Bezugssystem, in dem sich das Interferometer mit der Geschwindigkeit ''v'' bewegt und die Lichtgeschwindigkeit weiter unverändert ist, erklärt man das Ergebnis, wie oben beschrieben, mit der Lorentzkontraktion.<ref>{{Literatur |Autor=Albert Einstein |Titel=[[Über die spezielle und die allgemeine Relativitätstheorie]] |Sammelwerk=Über die spezielle und allgemeine Relativitätstheorie |Verlag=Vieweg & Sohn |Ort=Braunschweig |Datum=1917 |Fundstelle=§16 |Sprache=de}} (englischer Volltext, übersetzt von Robert William Lawson: ''Relativity: The Special and General Theory.'' 1916, [[s:en:Relativity: The Special and General Theory|Wikisource]]).</ref> Diese Erklärung wird als die derzeit gültige angesehen. Obwohl in vielen Schilderungen zur Entwicklung der SRT dieses Experiment als Ausgangspunkt der Theorie geschildert wird, hat Einstein selbst einen direkten Einfluss des Experiments auf seine Ideen abgestritten.<ref>Shankland ''Conversations with Einstein.'' American Journal of Physics Band 31, 1963, 47, allerdings gab er in einem Brief von 1952 zu, doch indirekt über die Schriften von Lorentz durch das Experiment beeinflusst worden zu sein, Shankland American Journal of Physics, Band 32, 1964, 16</ref>

Später zeigten [[Howard P. Robertson]] und andere<ref name="rob">{{cite journal |author=Robertson, H. P. |year=1949 |title=Postulate versus Observation in the Special Theory of Relativity |journal=Reviews of Modern Physics |volume=21 |issue=3 |pages=378–382 |bibcode=1949RvMP...21..378R |doi=10.1103/RevModPhys.21.378 |language=en}}</ref><ref name="sexl">{{cite journal |author=Mansouri R., Sexl R.U. |year=1977 |title=A test theory of special relativity: III. Second-order tests |journal=General. Relat. Gravit. |volume=8 |issue=10 |pages=809–814 |bibcode=1977GReGr...8..809M |doi=10.1007/BF00759585 |language=en}}</ref> (siehe [[Testtheorien der speziellen Relativitätstheorie]]), dass es möglich ist, die gesamte Lorentz-Transformation aus der Kombination von drei Experimenten herzuleiten. Das Michelson-Morley-Experiment zeigt, dass die Lichtgeschwindigkeit unabhängig von der ''Orientierung'' des Apparats ist, und es bestimmt die Beziehung zwischen longitudinaler (<math>\beta</math>) und transversaler (<math>\delta</math>) Länge. Bei Verwendung von unterschiedlichen Ruhelängen der Interferometerarme müsste ein positives Ergebnis auftreten, wenn der Apparat seine Relativgeschwindigkeit zu einem bevorzugten Bezugssystem ändert. Das Nullergebnis des [[Kennedy-Thorndike-Experiment]]s, mit dem dieser Zusammenhang getestet wurde, zeigt, dass die Lichtgeschwindigkeit unabhängig von der ''Geschwindigkeit'' des Apparats ist, und es bestimmt die Beziehung zwischen Zeitveränderungen (<math>\alpha</math>) und longitudinaler (<math>\beta</math>) Längen. Die beiden Experimente ergeben also nur diese Verhältnisse, nicht die individuellen Werte von <math>\alpha</math>, <math>\beta</math>, <math>\delta</math>. Diese Unbestimmtheit entspricht dem oben definierten Faktor <math>\phi</math> – dieser konnte im Rahmen der [[Gruppentheorie]] zwar auf 1 gesetzt werden, jedoch wäre eine experimentelle Bestätigung dieses theoretischen Ergebnisses wünschenswert. Dazu ist eine ''direkte'' Messung einer der drei Größen <math>\alpha</math>, <math>\beta</math>, <math>\delta</math> erforderlich. Das wurde durch das [[Ives-Stilwell-Experiment]] erbracht, mit dem <math>\alpha</math> in Übereinstimmung mit der Zeitdilatation gemessen wurde. Mittels Kennedy-Thorndike kann nun <math>\beta</math> mit der Längenkontraktion identifiziert werden, und folglich kann <math>\delta</math> mittels Michelson-Morley gleich null gesetzt werden. Somit sind alle Größen gegeben, welche die Grundlage der Lorentz-Transformation bilden.<ref name="rob" />

=== Widerlegte Alternativen ===
In der Theorie der [[Äther (Physik)#Vollständige Äthermitführung|vollständigen Äthermitführung]], welche auf [[George Gabriel Stokes]] (1845) zurückgeht, würde der Äther nicht ruhen, sondern bis zu einer bestimmten Entfernung von der Oberfläche die Bewegung der Erde mitvollziehen. Dies kann das Nullresultat erklären, denn in diesem Falle ''ruht'' der Äther relativ zur Erdoberfläche. Jedoch, wie Lorentz (1886) aufzeigte, waren die Probleme dieser Theorie vor allem im Zusammenhang mit der [[Aberration des Lichtes|Aberration des Sternenlichts]] und dem Fizeau-Experiment zu groß, sodass diese Erklärung nicht in Erwägung gezogen werden konnte. Michelson selbst glaubte nach seinem ersten Experiment 1881, dass sein Experiment die Theorie von Stokes bestätigt habe. 1887 kannte er jedoch bereits die Einwände von Lorentz und verwarf auch diese Theorie. Er widerlegt zusammen mit Gale auch einen mitgeführten Äther ([[Sagnac-Interferometer#Michelson-Gale-Versuch|Michelson-Gale-Versuch]]).

Ebenso mit dem Nullresultat verträglich ist die ursprünglich von [[Isaac Newton]] und später von [[Walter Ritz]] (1908) vertretene [[Emissionstheorie]], welche die Existenz des Äthers negiert und eine konstante Lichtgeschwindigkeit ''relativ zur Lichtquelle'' postuliert. Beim Wechsel der Bezugssysteme wird die [[Galilei-Transformation]] benutzt, womit die Theorie das klassische [[Relativitätsprinzip]] erfüllt. In einem Bezugssystem, in dem die Interferometeranordnung ruht, ist die Lichtgeschwindigkeit in Bezug zum ruhenden Interferometer konstant, und es ergibt sich eine gleiche Lichtlaufzeit in beide Richtungen. Aus einem relativ dazu mit Geschwindigkeit ''v'' bewegten System betrachtet bekommt das Licht die Geschwindigkeit des Interferometers (das hier als Lichtquelle fungiert) wie bei einem Geschoss hinzuaddiert und bewegt sich folglich mit ''c ± v''. Die Lichtgeschwindigkeit relativ zur Lichtquelle bleibt dabei konstant, und es ergeben sich wiederum gleiche Laufzeiten. Jedoch gilt diese Theorie u.&nbsp;a. wegen des [[Sagnac-Interferometer|Sagnac-Effektes]] und den beobachteten Bewegungen von [[Doppelstern]]en als widerlegt.

== Weitere Experimente ==

Experimente vom Michelson-Morley-Typ wurden mehrfach mit erhöhter Genauigkeit durchgeführt, wobei die meisten ([[Roy J. Kennedy]], K. K. Illingworth, [[Georg Joos]]) Nullresultate innerhalb der Fehlergrenzen erhielten. Ausnahmen wie die Ergebnisse von ca. 10 km/s durch [[Dayton Miller]] (1921–1926) konnten nicht bestätigt werden, wobei moderne Analysen diverse Fehlerquellen aufzeigen konnten.<ref>{{cite journal |first=Robert S. |last=Shankland |coauthors=''et al.'' |year=1955 |title=New Analysis of the Interferometer Observations of Dayton C. Miller |journal=Reviews of Modern Physics |volume=27 |issue=2 |pages=167–178 |doi=10.1103/RevModPhys.27.167 |language=en}}</ref><ref name="faq">T. Roberts (2007), Relativity FAQ, [http://math.ucr.edu/home/baez/physics/Relativity/SR/experiments.html What is the experimental basis of Special Relativity?]</ref> Miller wies darauf hin, dass in allen anderen Experimenten um die Interferometer herum eine abschirmende Hülle verwendet worden ist, die den Äther mitgeführt habe, während das bei ihm nicht der Fall gewesen sei. Dies wurde jedoch durch das Hammar-Experiment (1935) widerlegt, wo ein Arm des Interferometers mit einer Bleihülle umgeben war, der andere nicht. Gemäß Miller hätte hier ein positives Ergebnis erzielt werden müssen, doch es war negativ, wodurch Millers These widerlegt war.<ref>{{cite journal |author=G. W. Hammar |year=1935 |title=The Velocity of Light Within a Massive Enclosure |journal=[[Physical Review]] |volume=48 |issue=5 |pages=462–463 |doi=10.1103/PhysRev.48.462.2 |language=en}}</ref>
Darüber hinaus muss hinzugefügt werden, dass bei den älteren Experimenten gewöhnlich nur die Relativgeschwindigkeit von 30 km/s berücksichtigt wird, nicht jedoch die größere Umlaufgeschwindigkeit des Sonnensystems um den Galaxienkern von ca. 220 km/s, oder die Relativbewegung zwischen dem Sonnensystem und dem hypothetischen Ruhesystem der [[Hintergrundstrahlung]] von ca. 369 km/s, wodurch die Geringfügigkeit der Resultate noch deutlicher ersichtlich wird.

Die folgende Tabelle gibt eine Übersicht nach Shankland et al. (1955).<ref>Shankland, McKuskey, Leone, Kuerti, ''New Analysis of the Interferometer Observations of Dayton C. Miller'', Reviews of Modern Physics, Band 27, Nr. 2, 1955, S. 167–178, hier S. 168. Angegeben werden Armlänge, erwartete und beobachtete Verschiebung, Verhältnis. Bei Piccard und Stabel werden bei Shankland nur die Mt. Rigi Ergebnisse angegeben.</ref>

{| class="wikitable"
|-
!Autor
!Ort
!Jahr
!Armlänge (Meter)
!Erwartete Versch.
!Gemessen Versch.
!Verhältnis<br />Erw.-Gem.
!Obere Grenze für <math>v_\text{Erde}</math>
!Genauigkeit
!Null-<br />resultat
|-
|Michelson<ref name="michel1" />||[[Potsdam]]||1881||1,2||0,04||≤ 0,02||2||∼ 20 km/s||0,02||<math>\approx</math> Ja
|-
|Michelson und Morley<ref name="michel2" />||[[Cleveland]]||1887||11,0||0,4||< 0,02<br />od. ≤ 0,01|| 40||∼ 4–8 km/s||0,01||<math>\approx</math> Ja
|-
|Morley und Miller<ref>{{cite journal |author=Edward W. Morley and Dayton C. Miller |year=1904 |title=Extract from a Letter dated Cleveland, Ohio, August 5th, 1904, to Lord Kelvin from Profs. Edward W. Morley and Dayton C. Miller |journal=Philosophical Magazine |volume=8 |issue=48 |pages=753–754 |language=en}}</ref><ref>{{cite journal |author=Edward W. Morley and Dayton C. Miller |year=1905 |title=Report of an experiment to detect the Fitzgerald-Lorentz Effect |journal=Proceedings of the American Academy of Arts and Sciences |volume=XLI |issue=12 |pages=321–328 |language=en}}</ref> ||[[Cleveland]]||1902–1904||32,2||1,13||≤ 0,015||80||∼ 3,5 km/s||0,015||Ja
|-
|Miller<ref name="mill">{{cite journal |author=Miller, Dayton C. |year=1925 |title=Ether-Drift Experiments at Mount Wilson |journal=Proceedings of the National Academy of Sciences |volume=11 |issue=6 |pages=306–314 |doi=10.1073/pnas.11.6.306 |url=http://www.pnas.org/content/11/6/306.full.pdf+html |language=en}}</ref> ||[[Mount-Wilson-Observatorium|Mt. Wilson]]||1921||32,0||1,12||≤ 0,08||15||∼ 8–10 km/s||Unklar||Unklar
|-
|Miller<ref name="mill" />||[[Cleveland]]||1923–1924||32,0||1,12||≤ 0,03||40||∼ 5 km/s||0,03||Ja
|-
|Miller <small>(Sonnenlicht)</small><ref name="mill" />||[[Cleveland]]||1924||32,0||1,12||≤ 0,014||80||∼ 3 km/s||0,014||Ja
|-
|[[Rudolf Tomaschek|Tomaschek]] <small>(Sternenlicht)</small><ref>{{cite journal |author=Tomaschek, R. |year=1924 |title=Über das Verhalten des Lichtes außerirdischer Lichtquellen |journal=Annalen der Physik |volume=378 |issue=1 |pages=105–126 |doi=10.1002/andp.19243780107 |url=http://gallica.bnf.fr/ark:/12148/bpt6k153753/f115 |language=de}}</ref> ||[[Heidelberg]]||1924||8,6||0,3||≤ 0,02||15||∼ 7 km/s||0,02||Ja
|-
|Miller<ref name="mill" /><ref>{{cite journal |author=Miller, Dayton C. |year=1933 |title=The Ether-Drift Experiment and the Determination of the Absolute Motion of the Earth |journal=Reviews of Modern Physics |volume=5 |issue=3 |pages=203–242 |doi=10.1103/RevModPhys.5.203 |language=en}}</ref> ||[[Mount-Wilson-Observatorium|Mt. Wilson]]||1925–1926||32,0||1,12||≤ 0,088||13||∼ 8–10 km/s||Unklar||Unklar
|-
|[[Roy J. Kennedy|Kennedy]]<ref>{{cite journal |author=Kennedy, Roy J. |year=1926 |title=A Refinement of the Michelson-Morley Experiment |journal=Proceedings of the National Academy of Sciences |volume=12 |issue=11 |pages=621–629 |doi=10.1073/pnas.12.11.621 |url=http://www.pnas.org/content/12/11/621.full.pdf+html |language=en}}</ref> ||[[Pasadena (Kalifornien)|Pasadena]]/[[Mount-Wilson-Observatorium|Mt. Wilson]]||1926||2,0||0,07||≤ 0,002||35||∼ 5 km/s||0,002||Ja
|-
|Illingworth<ref>{{cite journal |author=Illingworth, K. K. |year=1927 |title=A Repetition of the Michelson-Morley Experiment Using Kennedy's Refinement |journal=Physical Review |volume=30 |issue=5 |pages=692–696 |doi=10.1103/PhysRev.30.692 |language=en}}</ref> ||[[Pasadena (Kalifornien)|Pasadena]]||1927||2,0||0,07||≤ 0,0004||175||∼ 2 km/s||0,0004||Ja
|-
|[[Auguste Piccard|Piccard]] & [[Ernst Stahel|Stahel]]<ref>{{cite journal |author=Piccard, A.; Stahel, E. |year=1926 |title=L’expérience de Michelson, réalisée en ballon libre. |journal=Comptes Rendus |volume=183 |issue=7 |pages=420–421 |url=http://gallica.bnf.fr/ark:/12148/bpt6k3136h/f420 |language=fr}}</ref> ||in einem [[Ballon]]||1926||2,8||0,13||≤ 0,006||20||∼ 7 km/s||0,006||Ja
|-
|Piccard & Stahel<ref>{{cite journal |author=Piccard, A.; Stahel, E. |year=1927 |title=Neue Resultate des Michelson-Experimentes |journal=Die Naturwissenschaften |volume=15 |issue=6 |pages=140 |doi=10.1007/BF01505485 |language=de}}</ref> ||[[Brüssel]]||1927||2,8||0,13||≤ 0,0002||185||∼ 2,5 km/s||0,0007||Ja
|-
|Piccard & Stahel<ref>{{cite journal |author=Piccard, A.; Stahel, E. |year=1927 |title=Das Michelson-Experiment, ausgeführt auf dem Rigi, 1 800 m ü. M. |journal=Die Naturwissenschaften |volume=16 |issue=2 |pages=25 |doi=10.1007/BF01504835 |language=de}}</ref> ||[[Rigi]]||1927||2,8||0,13||≤ 0,0003||185||∼ 2,5 km/s||0,0007||Ja
|-
|Michelson, Pearson, [[Francis G. Pease|Pease]]<ref>{{cite journal |author=Michelson, A. A.; Pease, F. G.; Pearson, F. |year=1929 |title=Results of repetition of the Michelson-Morley experiment |journal=Journal of the Optical Society of America |volume=18 |issue=3 |pages=181 |language=en}}</ref><ref>Michelson, Pearson, Pease, Repetition of the Michelson-Morley-Experiment, Nature, Band 123, 19. Januar 1929, S. 88</ref><ref>Pease, Ether Drift Data, Publications of the Astronomical Society of the Pacific, Band 42, 1930, S. 197–202</ref>||[[Pasadena (Kalifornien)|Pasadena (Mt. Wilson optical shop)]]||1929||25,9||0,9||≤ 0,01||90||∼ 3 km/s||0,01||Ja
|-
|[[Georg Joos|Joos]]<ref>{{cite journal |author=Joos, G. |year=1930 |title=Die Jenaer Wiederholung des Michelsonversuchs |journal=Annalen der Physik |volume=399 |issue=4 |pages=385–407 |doi=10.1002/andp.19303990402 |language=de}}</ref> ||[[Jena]]||1930||21,0||0,75||≤ 0,002||375||∼ 1,5 km/s||0,002||Ja
|}

Die angegebene Armlänge <math>L</math> entspricht einer effektiven Armlänge, da seit dem Versuch von Michelson und Morley von 1887 Mehrfachreflexionen in jedem Arm zur Anwendung kommen. Beim Michelson-Morley-Experiment war der Apparat auf einer quadratischen Sandsteinplatte von 1,5&nbsp;m Seitenlänge aufgebaut, durch Vierfachreflexion war aber <math>L = 11\,\text{m}</math>. Wie in der obigen allgemeinen Beschreibung des Experiments ergibt sich die in der Tabelle angegebene theoretische Verschiebung zu <math>\frac {v^2}{c^2} \frac {2 \, L}{\lambda}</math>. Für <math>v</math> wurde dabei 30&nbsp;km/s angesetzt entsprechend der Bewegung der Erde um die Sonne. Die verwendete Wellenlänge im Experiment war z.&nbsp;B. im Experiment von Joos 546 nm und der Lichtweg war bei Joos bei einer physischen Armlänge von 3,5&nbsp;m durch dreifache Reflexion auf 21&nbsp;m gebracht.<ref>Joos, Wiederholungen des Michelson-Versuchs, Naturwissenschaften, Band 19, Heft 38, 1931, S. 784–789, hier S. 787</ref>

== Moderne Experimente ==
=== Optische Tests ===
Optische Tests der [[Isotropie]] der Lichtgeschwindigkeit werden inzwischen routinemäßig durchgeführt.<ref name="faq"/> Die Genauigkeit der Interferenz-Experimente wurde durch Einsatz von [[Laser]], [[Maser]], kryogenischen [[Optischer Resonator|optischen Resonatoren]] usw. erheblich vergrößert. Dabei wurden Experimentalanordnungen verwendet, die teils vom klassischen Schema des Michelson-Morley-Experiments abweichen. (In der folgenden Tabelle stellen nur Essen (1955), Jaseja ''et al''. (1964), und Shamir/Fox (1969) Experimente vom Michelson-Morley-Typ dar, d.&nbsp;h., es werden senkrecht zueinander stehende Strahlen verglichen. Die anderen Experimente benutzten abweichende Methoden.)

{| class="wikitable"
! Autor !! Jahr !! Beschreibung !! Obergrenzen
|-
| [[Louis Essen]]<ref name="essen">{{cite journal |author=Essen, L. |year=1955 |title=A New Æther-Drift Experiment |journal=Nature |volume=175 |issue=4462 |pages=793–794 |doi=10.1038/175793a0 |language=en}}</ref> || 1955 || Die Frequenz eines rotierenden [[Optischer Resonator|Mikrowellen-Resonators]] wurde mit einer [[Quarzuhr]] verglichen. || ≈3&nbsp;km/s
|-
| Cedarholm ''et al''.<ref name="cedarholm">{{cite journal |author=Cedarholm, J. P.; Bland, G. F.; Havens, B. L.; Townes, C. H. |year=1958 |title=New Experimental Test of Special Relativity |journal=Physical Review Letters |volume=1 |issue=9 |pages=342–343 |doi=10.1103/PhysRevLett.1.342 |language=en}}</ref><ref name="cedarholm2">{{cite journal |author=Cedarholm, J. P.; Townes, C. H. |year=1959 |title=New Experimental Test of Special Relativity |journal=Nature |volume=184 |issue=4696 |pages=1350–1351 |doi=10.1038/1841350a0 |language=en}}</ref> || 1958 || Zwei [[Ammoniak]]-Maser wurden auf einer rotierenden Platte befestigt, wobei die Strahlen in entgegengesetzte Richtungen zeigten. || ≈30&nbsp;m/s
|-
| [[Ives-Stilwell-Experiment#Mößbauer-Rotor-Experiment|Mößbauer-Rotor-Experimente]] || 1960–63 || In einer Reihe von Experimenten verschiedener Forschergruppen wurden die Frequenzen von [[Gammastrahlen]] mittels des [[Mößbauer-Effekt]]s auf einer rotierenden Scheibe beobachtet.|| ≈3–4&nbsp;m/s
|-
| Jaseja ''et al''.<ref name="Jaseja">{{cite journal |author=Jaseja, T. S.; Javan, A.; Murray, J.; Townes, C. H. |year=1964 |title=Test of Special Relativity or of the Isotropy of Space by Use of Infrared Masers |journal=Phys. Rev. |volume=133 |issue=5a |pages=1221–1225 |bibcode=1964PhRv..133.1221J |doi=10.1103/PhysRev.133.A1221 |language=en}}</ref> || 1964 || Die Frequenzen zweier [[Helium-Neon-Laser]], die sich auf einer rotierenden Platte befanden, wurden verglichen. Im Gegensatz zu Cedarholm ''et al.'' wurden die Maser senkrecht zueinander platziert. || ≈30&nbsp;m/s
|-
| nowrap=nowrap| Shamir und Fox<ref name="shamir">{{cite journal |author=Shamir, J.; Fox, R. |year=1969 |title=A new experimental test of special relativity |journal=Il Nuovo Cimento B |volume=62 |issue=2 |pages=258–264 |doi=10.1007/BF02710136 |language=en}}</ref> || 1969 || Beide Arme des Interferometers befanden sich in einem transparenten Festkörper ([[Polymethylmethacrylat|Plexiglas]]). Als Lichtquelle fungierte ein [[Helium-Neon-Laser]]. || ≈7&nbsp;km/s
|-
| Trimmer ''et al''.<ref name="trimmer">{{cite journal |author=Trimmer, William S.; Baierlein, Ralph F.; Faller, James E.; Hill, Henry A. |year=1973 |title=Experimental Search for Anisotropy in the Speed of Light |journal=Physical Review D |volume=8 |issue=10 |pages=3321–3326 |doi=10.1103/PhysRevD.8.3321 |language=en}}</ref><ref name="trimmer2">{{cite journal |author=Trimmer, William S.; Baierlein, Ralph F.; Faller, James E.; Hill, Henry A. |year=1974 |title=Erratum: Experimental search for anisotropy in the speed of light |journal=Physical Review D |volume=9 |issue=8 |pages=2489–2489 |doi=10.1103/PhysRevD.9.2489.2 |language=en}}</ref> || 1973 || Sie suchten nach Anisotropien der Lichtgeschwindigkeit, die sich wie das erste und dritte [[Legendre-Polynom]] verhalten. Dabei benutzten sie ein Triangular-Interferometer, wobei ein Teil des Weges aus Glas bestand. (Zum Vergleich: Experimente vom Michelson-Morley-Typ testen das zweite Legendre-Polynom.)<ref name="sexl" />|| ≈2,5&nbsp;cm/s
|}

=== Resonator-Experimente ===
[[Datei:MMX with optical resonators DE.svg|mini|hochkant=1.1|Michelson-Morley-Experiment mit kryogenischen optischen Resonatoren durch Müller ''et al.'' (2003)]]

In den letzten Jahren ergab sich ein verstärktes Interesse an der Durchführung hochpräziser Tests der Lorentzinvarianz – darunter auch solche vom Michelson-Morley-Typus mittels [[optischer Resonator]]en. Veranlasst wurden diese Experimente durch mögliche Verletzungen der Lorentzinvarianz in verschiedenen Varianten der [[Quantengravitation]]. Beispielgebend dafür war das Experiment von Brillet und Hall (1979), bei dem eine Laserfrequenz, stabilisiert zu einem rotierenden optischen Fabry-Pérot-Resonator, analysiert wurde.<ref>{{cite journal |author=Brillet, A.; Hall, J. L. |year=1979 |title=Improved laser test of the isotropy of space |journal=Phys. Rev. Lett. |volume=42 |pages=549–552 |doi=10.1103/PhysRevLett.42.549 |language=en}}</ref> Dabei ergab sich eine maximale Anisotropie des Lichtes von Δ''c/c''&nbsp;≈&nbsp;10<sup>−15</sup>, wobei Δ''c'' die Differenz zwischen der Lichtgeschwindigkeit in ''x''- und ''y''-Richtung ist.

Bis 2009 haben optische und Mikrowellen-Resonatoren diese Grenze bis auf Δ''c/c''&nbsp;≈&nbsp;10<sup>−17</sup> erhöht. Diese Experimente werden mit teils stationären als auch mit rotierenden Anordnungen durchgeführt, wobei diese oft auch mit dem Prinzip des [[Kennedy-Thorndike-Experiment]]s kombiniert werden. Bei der Auswertung der Experimente wird dabei die Relativgeschwindigkeit zum Ruhesystem der [[Kosmischer Mikrowellenhintergrund|kosmischen Hintergrundstrahlung]] von ungefähr 377 km/s benutzt. (Isotropieexperimente, bei denen eine ähnliche Präzision erreicht wird, sind [[Hughes-Drever-Experiment]]e, wobei allerdings [[Nukleon]]en getestet werden. Für weitere moderne Experimente siehe [[Moderne Tests der Lorentzinvarianz]].)

{| class="wikitable"
! Autor !! Jahr !! Beschreibung !! Δ''c/c''
|-
| Wolf ''et al''.<ref>{{cite journal |author=Wolf ''et al.'' |year=2003 |title=Tests of Lorentz Invariance using a Microwave Resonator |journal=Physical Review Letters |volume=90 |issue=6 |pages=060402 |bibcode=2003PhRvL..90f0402W |doi=10.1103/PhysRevLett.90.060402 |pmid=12633279 |arxiv=gr-qc/0210049 |language=en}}</ref> ||2003||Die Frequenz eines stationären [[Kryotechnik|kryotechnischem]] Mikrowellen-Resonators wurde mit einem [[Wasserstoffmaser]] verglichen. Daten 2001–2002 wurden ausgewertet.||rowspan="3"| <math>\lesssim10^{-15}</math>
|-
| Müller ''et al''.<ref>{{cite journal |author=Müller, H.; Herrmann, S.; Braxmaier, C.; Schiller, S.; Peters, A. |year=2003 |title=Modern Michelson-Morley experiment using cryogenic optical resonators |journal=Phys. Rev. Lett. |volume=91 |issue=2 |pages=020401 |bibcode=2003PhRvL..91b0401M |doi=10.1103/PhysRevLett.91.020401 |pmid=12906465 |arxiv=physics/0305117 |language=en}}</ref> ||2003|| Die Frequenzen von zwei [[Nd:YAG-Laser]]s wurden zu Resonanzen zweier kryogenischer optischer Resonatoren stabilisiert.
|-
| Wolf ''et al''.<ref>{{cite journal |author=Wolf, P.; Bize, S.; Clairon, A.; Santarelli, G.; Tobar, M. E.; Luiten, A. N. |year=2004 |title=Improved test of Lorentz invariance in electrodynamics |journal=Physical Review D |volume=70 |issue=5 |pages=051902 |bibcode=2004PhRvD..70e1902W |doi=10.1103/PhysRevD.70.051902 |arxiv=hep-ph/0407232 |language=en}}</ref> ||2004||Siehe Wolf ''et al.'' (2003). Daten 2002–2004 wurden analysiert.
|-
| Antonini ''et al''.<ref>{{cite journal |author=Antonini, P.; Okhapkin, M.; Göklü, E.; Schiller, S. |year=2005 |title=Test of constancy of speed of light with rotating cryogenic optical resonators |journal=Physical Review A |volume=71 |issue=5 |pages=050101 |doi=10.1103/PhysRevA.71.050101 |arxiv=gr-qc/0504109 |language=en}}</ref> ||2005||Ähnlich wie Müller ''et al.'' (2003), doch hier wurde der Apparat selbst in Rotation versetzt. Daten 2002–2004 wurden analysiert.||rowspan="5"| <math>\lesssim10^{-16}</math>
|-
| Stanwix ''et al''.<ref>{{cite journal |author=Stanwix, P. L.; Tobar, M. E.; Wolf, P.; Susli, M.; Locke, C. R.; Ivanov, E. N.; Winterflood, J.; van Kann, F. |year=2005 |title=Test of Lorentz Invariance in Electrodynamics Using Rotating Cryogenic Sapphire Microwave Oscillators |journal=Physical Review Letters |volume=95 |issue=4 |pages=040404 |bibcode=2005PhRvL..95d0404S |doi=10.1103/PhysRevLett.95.040404 |pmid=16090785 |arxiv=hep-ph/0506074 |language=en}}</ref> ||2005||Ähnlich wie Wolf ''et al.'' (2003), doch hier wurde der Apparat selbst in Rotation versetzt. Daten 2004–2005 wurden analysiert.
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| Herrmann ''et al''.<ref>{{cite journal |author=Herrmann, S.; Senger, A.; Kovalchuk, E.; Müller, H.; Peters, A. |year=2005 |title=Test of the Isotropy of the Speed of Light Using a Continuously Rotating Optical Resonator |journal=Phys. Rev. Lett. |volume=95 |issue=15 |pages=150401 |bibcode=2005PhRvL..95o0401H |doi=10.1103/PhysRevLett.95.150401 |pmid=16241700 |arxiv=physics/0508097 |language=en}}</ref> ||2005||Ähnlich wie Müller ''et al''. (2003). Die Frequenzen zweier  Fabry-Pérot-Resonatoren wurde verglichen – einer rotierte kontinuierlich, während der andere stationär nach Nord-Süd ausgerichtet war. Daten 2004–2005 wurden analysiert.
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| Stanwix ''et al''.<ref>{{cite journal |author=Stanwix, P. L.; Tobar, M. E.; Wolf, P.; Locke, C. R.; Ivanov, E. N. |year=2006 |title=Improved test of Lorentz invariance in electrodynamics using rotating cryogenic sapphire oscillators |journal=Physical Review D |volume=74 |issue=8 |pages=081101 |bibcode=2006PhRvD..74h1101S |doi=10.1103/PhysRevD.74.081101 |arxiv=gr-qc/0609072 |language=en}}</ref> ||2006|| Siehe Stanwix ''et al''. (2005). Daten 2004–2006 wurden analysiert.
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| Müller ''et al''.<ref>{{cite journal |author=Müller, H.; Stanwix, Paul L.; Tobar, M. E.; Ivanov, E.; Wolf, P.; Herrmann, S.; Senger, A.; Kovalchuk, E.; Peters, A. |year=2007 |title=Relativity tests by complementary rotating Michelson-Morley experiments |journal=Phys. Rev. Lett. |volume=99 |issue=5 |pages=050401 |bibcode=2007PhRvL..99e0401M |doi=10.1103/PhysRevLett.99.050401 |pmid=17930733 |arxiv=0706.2031 |language=en}}</ref> ||2007|| Siehe Herrmann ''et al''. (2005) und Stanwix ''et al''. (2006). Daten beider Gruppen wurden 2004–2006 gesammelt, kombiniert und weiteranalysiert. Da die Experimente auf unterschiedlichen Kontinenten durchgeführt wurden, bei [[Berlin]] und [[Perth]], konnten sowohl die Effekte der Rotation der Apparates selbst und der Erdrotation besonders ausführlich studiert werden.
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| Eisele ''et al''.<ref name="Eisele">{{cite journal |author=Eisele, Ch.; Nevsky, A. Yu.; Schiller, S. |year=2009 |title=Laboratory Test of the Isotropy of Light Propagation at the 10<sup>−17</sup> level |journal=Physical Review Letters |volume=103 |issue=9 |pages=090401 |bibcode=2009PhRvL.103i0401E |doi=10.1103/PhysRevLett.103.090401 |pmid=19792767 |url=http://www.exphy.uni-duesseldorf.de/Publikationen/2009/Eisele%20et%20al%20Laboratory%20Test%20of%20the%20Isotropy%20of%20Light%20Propagation%20at%20the%2010-17%20Level%202009.pdf |access-date=2012-07-30 |archive-url=https://web.archive.org/web/20220126003141/http://exphy.uni-duesseldorf.de/Publikationen/2009/Eisele%20et%20al%20Laboratory%20Test%20of%20the%20Isotropy%20of%20Light%20Propagation%20at%20the%2010-17%20Level%202009.pdf |archive-date=2022-01-26 |offline=yes |language=en}}</ref> ||2009||Die Frequenzen zweier orthogonal orientierter elektromagnetischer Resonatoren wurden verglichen, wobei [[Nd:YAG-Laser]] benutzt wurden. Daten 2007–2008 wurden analysiert.||rowspan="2"| <math>\lesssim10^{-17}</math>
|-
| nowrap="nowrap" | Herrmann ''et al''.<ref name="Herrmann2">{{cite journal |author=Herrmann, S.; Senger, A.; Möhle, K.; Nagel, M.; Kovalchuk, E. V.; Peters, A. |year=2009 |title=Rotating optical cavity experiment testing Lorentz invariance at the 10<sup>−17</sup> level |journal=Physical Review D |volume=80 |issue=100 |pages=105011 |bibcode=2009PhRvD..80j5011H |doi=10.1103/PhysRevD.80.105011 |arxiv=1002.1284 |language=en}}</ref> ||2009||Ähnlich wie Herrmann ''et al''. (2005). Zwei orthogonal orientierte, rotierende Fabry-Pérot-Resonatoren wurden benutzt, zu denen die Frequenzen zweier Nd:YAG-Laser stabilisiert wurden.
|}

== Geschichte ==
=== Ausgangssituation und Vorgeschichte ===
: ''Weiterführende Information: [[Äther (Physik)]]''
Zum Zeitpunkt, als das erste Experiment (1881) durchgeführt wurde, gab es zwei [[Äther (Physik)#Probleme der Äthertheorien|konkurrierende Äthertheorien]].
* [[Augustin Jean Fresnel]] (1819) nahm an, dass der Äther in der Nähe der Körper gar nicht, und nur in den Körpern selbst mitgeführt werde. Die Geschwindigkeit des Lichts in einem mit der Geschwindigkeit <math>v</math> bewegten Medium ergab sich in dieser Theorie als <math>c = c_0 + \phi </math> mit dem Mitführungskoeffizienten <math>\phi=(1- 1 /n^2) v</math>, wobei <math>n</math> der [[Brechungsindex]] ist.<ref>{{Literatur |Autor=Fresnel, A. |Titel=Lettre d’Augustin Fresnel à François Arago sur l’influence du mouvement terrestre dans quelques phénomènes d’optique |Sammelwerk=Annales de chimie et de physique |Band=9 |Datum=1818 |Seiten=57–66 |Sprache=fr}}</ref>
* [[George Gabriel Stokes]] (1845) nahm dagegen an, dass der Äther in den Körpern und in ihrer Nähe vollständig mitgeführt werde.<ref>{{Literatur |Autor=G. G. Stokes |Titel=On the Aberration of Light |Sammelwerk=Philosophical Magazine |Band=27 |Datum=1845 |Seiten=9–15 |Sprache=en}}</ref>

Eine wichtige Entscheidung zwischen den Theorien erbrachte das [[Fizeau-Experiment]] von [[Armand Hippolyte Louis Fizeau]] (1851). Er verwendete eine Interferometer-Anordnung, mit der die Lichtgeschwindigkeit im Wasser gemessen wurde.<ref>{{Literatur |Autor=H. Fizeau |Titel=Sur les hypothèses relatives à l’éther lumineux, et sur une expérience qui paraît démontrer que le mouvement des corps change la vitesse avec laquelle la lumière se propage dans leur intérieur |Sammelwerk=Comptes Rendus |Band=33 |Datum=1851 |Seiten=349–355 |Online=[http://gallica.bnf.fr/ark:/12148/bpt6k29901/f351.chemindefer gallica.bnf.fr] |Sprache=fr}}</ref>
Das Ergebnis sprach für eine teilweise Mitführung des Äthers im Sinne Fresnels und konnte mit Stokes Theorie nur mit umständlichen Hilfshypothesen vereinbart werden. Ebenso war die Existenz der Aberration des Lichtes besser mit Fresnels als mit Stokes Theorie in Einklang zu bringen. Schließlich veröffentlichte Lorentz 1886 eine Schrift, in der gezeigt wurde, dass die Hilfshypothesen von Stokes sich selbst widersprechen. Deswegen wurde schließlich die durch Lorentz modifizierte Theorie Fresnels bevorzugt.<ref>{{Literatur |Autor=H. A. Lorentz |Titel=De l’influence du mouvement de la terre sur les phénomènes lumineux |Sammelwerk=Archives néerlandaises des sciences exactes et naturelles |Band=21 |Datum=1887 |Seiten=103–176 |Sprache=fr}}</ref>

Fresnels Mitführungskoeffizient hatte zur Folge, dass bei Ätherdrift-Experimenten keine positiven Resultate in der Größenordnung von <math>v/c</math> zu erwarten waren, wobei <math>v</math> die Relativgeschwindigkeit Erde–Äther und <math>c</math> die Lichtgeschwindigkeit ist. Jedoch sollte es bei Experimenten, welche Effekte in der Größenordnung von <math>v^2/c^2</math> aufzuzeigen vermochten, unbedingt zu positiven Resultaten kommen. Das Michelson-Morley-Experiment war das erste Experiment dieser Art.

=== Vorbereitung und Durchführung ===
[[Datei:AOP-Potsdam.jpg|mini|Altes Observatoriumsgebäude (Michelson-Gebäude), Telegrafenberg Potsdam. Im Keller des rechten Turms wurde das ursprüngliche Experiment 1881 ausgeführt.]]
[[Datei:Michelsonnachbau.jpg|mini|Nachbau des in Potsdam von Michelson durchgeführten Experimentes. Dieser Nachbau befindet sich an dem Ort (im Keller des Michelson-Gebäudes am Telegrafenberg Potsdam), an welchem Michelson sein Experiment 1881 durchführte.]]
Michelson hatte 1879 aus einem Brief von [[James Clerk Maxwell]] an D. P. Todd, den Leiter des Nautical Almanac Office, wo er als junger Marineinstrukteur tätig war und Messungen der Lichtgeschwindigkeit durchführte, von der Möglichkeit der experimentellen Überprüfung der Bewegung der Erde durch den Äther gehört. Maxwell erwähnte darin zunächst die mögliche Überprüfung durch die Beobachtung der Verdunkelungszeiten der [[Jupiter (Planet)#Monde|Jupitermonde]], ein Effekt 1. Ordnung, damals aber zu schwer zu beobachten, und dann, dass bei Experimenten auf der Erde eine relative Genauigkeit von 10<sup>−8</sup> erforderlich wäre (Effekt 2. Ordnung), was nach seiner Ansicht jenseits des damals Messbaren läge. Michelson führte das Experiment zuerst im April 1881 im Keller des Hauptgebäudes des Observatoriums auf dem Telegrafenberg in [[Potsdam]] (das erst 1879 fertiggestellt wurde) durch, während er mit einem Stipendium von Bell 1880 bis 1882 in Berlin war (ermutigt wurde er dabei durch den Direktor [[Hermann von Helmholtz]]). Versuche, es zuvor im Physikalischen Institut in Berlin-Mitte, Wilhelmstr. 67a, durchzuführen,<ref>In einem großen Kellerraum, dem sogenannten ''Kuhstall.'' [[Wilhelm H. Westphal (Physiker)|Wilhelm Westphal]], ''68 Jahre als Physiker in Berlin.'' Physikalische Blätter, Juni 1972, S. 259.</ref> scheiterten an Erschütterungen durch den starken Verkehr. Michelson erhielt zwar ein Nullresultat, aber die Genauigkeit war nicht sehr hoch (er benutzte ein drehbares Messinggestell mit Armlängen von rund einem Meter): Erwartet wurde eine Verschiebung von 0,04 Interferenzstreifen, falls die Fresnelsche Ätherhypothese richtig war, und die Fehlergrenze lag bei 0,02. Vor allem hatte er den Einfluss der Ätherbewegung auf die Ausbreitung des Lichtes im Arm senkrecht zur Bewegungsrichtung nicht berücksichtigt, d.&nbsp;h., das Licht breitet sich hier geneigt aus und nicht geradlinig, wie Michelson angenommen hatte. Michelsons Experiment wurde dann auch sogleich von Lorentz (1884 und 1886) kritisiert, der inzwischen eine eigene Äthertheorie entwickelt hatte. Er konnte zeigen, dass bei Korrektur der Laufzeit für den Querarm der erwartete Effekt nur noch halb so groß war, und berücksichtigt man zusätzlich den fresnelschen Mitführungskoeffizienten, konnte das Fehlergebnis (wenn auch nur knapp) erklärt werden, wodurch diesem Experiment seine Aussagekraft genommen wurde.<ref name="michel1" />

Michelson begann 1885 eine Zusammenarbeit mit dem Chemieprofessor [[Edward W. Morley]] an der [[Case Western Reserve University]] in [[Cleveland]] ([[Ohio]]). Sie führten eine Reihe von Messungen zu verschiedenen Zwecken durch, wobei die psychische Belastung während dieser Präzisionsmessungen offenbar so hoch war, dass Michelson 1885 einen [[Nervenzusammenbruch]] erlitt, von dem er sich nach mehreren Monaten erholt hatte.<ref name="staley">{{Literatur |Autor=Richard Staley |Titel=Einstein's generation. The origins of the relativity revolution |Verlag=University of Chicago Press |Ort=Chicago |Datum=2009 |ISBN=0-226-77057-5 |Kapitel=Albert Michelson, the Velocity of Light, and the Ether Drift |Sprache=en}}</ref> Sie bestätigten das Ergebnis des [[Fizeau-Experiment]]s mit höherer Genauigkeit (1886)<ref name="michel1a">{{cite journal |author=A. A. Michelson, E. W. Morley |year=1886 |title=Influence of Motion of the Medium on the Velocity of Light |journal=Am. J. Science |volume=31 |pages=377–386 |id=([[s:en:Influence of Motion of the Medium on the Velocity of Light|Wikisource]]) |language=en}}</ref> und versuchten, die Wellenlänge von Licht als neuen Längenstandard festzusetzen (1887, 1889).<ref name="michel3">{{cite journal |author=Albert A. Michelson, Edward W. Morley |year=1887 |title=On a method of making the wave-length of sodium light the actual and practical standard of length |journal=American Journal of Science |volume=34 |pages=427–430 |id=([[s:en:On a method for making the wave length of sodium light the actual and practical standard of length|Wikisource]]) |language=en}}</ref><ref name="michel4">{{cite journal |author=Albert A. Michelson, Edward W. Morley |year=1889 |title=On the feasibility of establishing a light-wave as the ultimate standard of length |journal=American Journal of Science |volume=38 |pages=181–186 |language=en}}</ref>

Von größerer Bedeutung war ihre Wiederholung (1887) des Michelson-Experiments von 1881 auf Drängen u.&nbsp;a. von [[John William Strutt, 3. Baron Rayleigh|Rayleigh]] und [[William Thomson, 1. Baron Kelvin|Kelvin]], welches das eigentliche Michelson-Morley-Experiment darstellt.<ref name="michel2" /> Hierbei verwandten sie Verbesserungen wie Mehrfachreflexion zur Verlängerung des Lichtweges auf 11&nbsp;m statt der rund 1,2&nbsp;m in Potsdam, eine bessere Dämpfung, eine in einem Quecksilberbad schwimmende und somit leicht drehbare Versuchsplattform und einen schweren Steintisch. Um die Erschütterungen zu minimieren, wurde der Verkehr weiträumig abgesperrt. Die bei Gültigkeit der fresnelschen Ätherhypothese erwartete Verschiebung betrug nun 0,4, die beobachtete lag jedoch mit Sicherheit unter 0,02 und möglicherweise unterhalb von 0,01. Da die Verschiebung proportional dem Quadrat der Geschwindigkeit war, entspricht dies laut Michelson einer Geschwindigkeit von weniger als einem Viertel (ca. 8&nbsp;km/s) bzw. einem Sechstel (ca. 5&nbsp;km/s) der Erdgeschwindigkeit von 30 km/s. Dies war für Michelson und seine Zeitgenossen zu gering, um ernsthaft als positives Ergebnis aufgefasst zu werden, und es wurde somit das berühmteste Experiment mit Nullresultat. Statt die Relativgeschwindigkeit zum ''ruhenden'' Äther aufzuzeigen, zeigte es keinen der erwarteten Effekte, so als existiere der „Ätherwind“ überhaupt nicht. Eine Relativbewegung zwischen Erde und Äther konnte nicht nachgewiesen werden.<ref name="michel2" /> Das Experiment selbst wurde vom 8. bis 12. Juli 1887 durchgeführt, wobei bei insgesamt 36 Drehungen gemessen wurde.<ref>Die Gesamtmesszeit betrug nur etwa 5 Stunden. Swenson in Lerner, Trigg ''The Encyclopedia of Physics.'' VCH Verlag</ref> Auf die eigentlich beabsichtigten Wiederholungen zu verschiedenen Jahreszeiten (und damit verschiedenen Relativgeschwindigkeiten der Erde gegen den „Äther“) verzichteten beide.

Danach wandte sich Michelson anderen Forschungen zu und verwendete sein Interferometer für Längenmessungen.<ref group="Fußnote">1895 führte er allerdings nochmals ein Interferometerexperiment in Chicago aus, um festzustellen, ob sich die „Mitnahmeeffekte“ des Äthers mit der Höhe ändern würden</ref> Ein nochmals verbessertes Experiment wurde 1904 von Morley und [[Dayton Miller]] durchgeführt, wiederum durch Verlängerung des Lichtweges, diesmal auf über 32&nbsp;m.<ref group="Fußnote">Außerdem testeten beide die Kontraktionshypothese von Lorentz, indem sie verschiedene Materialien verwendeten</ref> Auch Michelson führte das Experiment noch mehrfach in verfeinerter Form aus, nachdem Miller, der in größerer Höhe beim [[Mount-Wilson-Observatorium]] in Kalifornien experimentierte, 1925 behauptet hatte, doch noch ein positives Resultat erzielt zu haben.<ref>Shankland u.&nbsp;a. Reviews Modern Physics 1955 führten dies später auf thermische Fluktuationen zurück</ref> Wieder waren Michelsons Ergebnisse negativ. Michelson selbst war ebenso wie Morley bis zu seinem Tod 1931 nie vollständig von der Nichtexistenz eines Äthers überzeugt. 1930 konnte [[Georg Joos]] das Verhältnis auf erwartete 0,75 der Interferenzstreifenbreite und einer beobachteten oberen Grenze von 0,002 steigern.<ref>dargestellt in Joos ''Lehrbuch der Theoretischen Physik''</ref> Die Experimente von Joos und K. K. Illingworth fanden im Zeisswerk Jena 1927 bis 1930 statt und verwendeten eine effektive Armlänge von 30&nbsp;m. Verbesserte Experimente vom Michelson-Morley-Typ werden bis heute durchgeführt (siehe „Weitere Experimente“).

== Literatur ==
* {{Literatur |Autor=Jannsen, M. & Stachel, J. |Titel=The Optics and Electrodynamics of Moving Bodies |Datum=2004 |Online=[http://www.mpiwg-berlin.mpg.de/Preprints/P265.PDF Online] |Format=PDF |KBytes=253 |Sprache=en}}
* {{Literatur |Autor=[[Edmund Taylor Whittaker|Whittaker, E. T.]] |Titel=1. Ausgabe: A History of the theories of aether and electricity |Verlag=Longman, Green and Co. |Ort=Dublin |Datum=1910 |Seiten=411–466 |Online=[http://www.archive.org/details/historyoftheorie00whitrich Online] |Sprache=en}} (One Volume: From the age of Descartes to the close of the nineteenth century (1910))
* {{Literatur |Autor=Whittaker, E. T. |Titel=2. Ausgabe: A History of the theories of aether and electricity, vol. 1: The classical theories / vol. 2: The modern theories 1800–1950 |Ort=London |Datum=1951 |Sprache=en}}
* Robert Shankland u.&nbsp;a. ''New Analysis of Interferometer Observations of Dayton Miller.'' Reviews of Modern Physics 1955
* Robert Shankland ''Michelson-Morley Experiment.'' American Journal of Physics, Band 32, 1964, 16–34
* Robert Shankland ''Michelson and his interferometer.'' Physics Today 1974
* Michelsons eigene Schilderung findet sich in seinen ''Studies in Optics'' 1927, Dover 1995, die Originalarbeiten sind im American Journal of Science, 3. Series, Band 22, 1881, S. 120 und Band 34, 1887, S. 333
* [[Gerald Holton]]: ''Einstein, Michelson und das Experimentum Crucis.'' in Holton ''Thematische Analyse der Wissenschaften.'' Suhrkamp 1981 (zuerst in Isis Band 60, 1969)
* Stuewer, Goldberg (Hrsg.) ''The Michelson Era in American Science 1870–1930.'' American Institute of Physics, New York, 1988
* L. Swenson: ''The Michelson-Morley Experiments before and after 1905'', Journal for the History of Astronomy, Band 1, 1970, S. 56–78
* L. Swenson ''The ethereal Aether - a history of the Michelson Morley Aether Drift Experiment 1880–1930.'' University of Texas Press, Austin 1972
* Physics Today Band 40, Mai 1987 ''Michelson-Morley Memorial Issue.'' S. 9–69 (Beiträge von John Stachel: Einstein and Ether Drift Experiments, J. David Jackson: The impact of special relativity on theoretical physics, Lloyd Swenson: Michelson and Measurement, Albert Moyer: Michelson in 1887, Mark Haugman/Clifford Will: Modern tests of special relativity)

== Einzelnachweise ==
<references />

== Fußnoten ==
<references group="Fußnote" />

== Weblinks ==
[[Kategorie:Wikipedia.de Artikel]]
{{Commonscat|Michelson-Morley experiment}}
* Albert A. Michelson: [http://www.aip.org/history/exhibits/gap/PDF/michelson.pdf ''On the Relative Motion of the Earth and the Luminiferous Ether''], American Journal of Science, 1887, 22: 120–129 (englisch; PDF; 1,69&nbsp;MB)
* T. Roberts (2007), Relativity FAQ, [http://math.ucr.edu/home/baez/physics/Relativity/SR/experiments.html What is the experimental basis of Special Relativity?]
* [http://scienceworld.wolfram.com/physics/Michelson-MorleyExperiment.html ScienceWorld Michelson-Morley Experiment] (englisch)
* [http://galileo.phys.virginia.edu/classes/109N/lectures/michelson.html Virginia University Michelson-Morley Experiment] (englisch)
* [http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/relativ/morley.html#c1 Hyperphysics] (englisch)

{{Lesenswert|30. Oktober 2008|52422146}}

[[Kategorie:Physikalisches Demonstrationsexperiment]]
[[Kategorie:Test der Speziellen Relativitätstheorie]]
[[Kategorie:Optik]]
[[Kategorie:Physikalisches Experiment]]