Sagnac, Michelson & Co
Relativität zum "Anfassen"
Rüdiger Rodloff
Hintergrundbild - DLR - Experimental-Laserkreisel - ELSY
Was erwartet Sie hier ... eine kurze Zusammenfassung:
Ich habe mich während meines Berufslebens mit optischen Kreiseln, speziell Laserkreiseln, beschäftigt.
Experimental-Laserkreiselsystem ELSy - DLR Institut für Flugführung
Lit.(Auszug):
"Modellvorstellungen zum Laserkreisel", R. Rodloff, Flufwiss. Weltraumforsch.7 (1983), Heftb 6
"A Laser Gyro with Optimized Resonator Geometry", R. Rodloff, IEEE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICS, Vol. QE-23, No.4, APR. 1987
"Probleme und Möglichkeiten für den Laserkreisel im Bereich der Geophysik und der Langzeitnavigation, R. Rodloff, W. Jungbluth, DLR, Inst.f.Flugführg. Juni 1993
"Gibt es den optischen Superkreisel?", Z. Flugwiss. Weltraumforsch. 18 (1994) 2-15, © Springer Verlag 1994
Neben den rein technischen Fragestellungen - z.B. der Betrieb von He-Ne-Gasentladungen, Stabilisierung von Laserresonatoren, Interferometrie und Signalauslesung, u.s.w. "stolperte" ich dabei auch sehr oft über den physikalischen Hintergrund der optischen Kreisel , - den Sagnaceffekt. Ergänzend zum Michelsonexperiment bildet das Sagnacinterferometer den Ausgangspunkt für eine der größten Umwälzungen unserer Vorstellungen von Raum und Zeit, - der Relativitätstheorie.
Es gibt vermutliche keine physikalische Theorie die derart strittig diskutiert wird wie die Relativitätstheorie. Obwohl inzwischen über 100 Jahre alt, ist die Diskussion darüber nach wie vor hochaktuell und wird mit großer Verbissenheit geführt (z.B.: Harald Maurer)
Aber neben dem "Spaß" am wissenschaftlichen Streitgespräch, ergab sich die Motivation für diese Website auch aus einigen grundsätzlichen Überlegungen über die Eigenschaften optischer Kreisel, die in der Standartliteratur häufig etwas kurz kommen.
Z.B.
- welche Rolle spielt die Signal- bzw. die Lichtgeschwindigkeit im Sagnac-Interferometer ?
- handelt es sich um einen relativistischen Effekt ?
- welche Rolle spielt die Position des Drehpunktes?
Im Folgenden will ich versuchen diese grundsätzlichen Fragen zu beantworten.
Darüber hinaus möchte ich zeigen,
- der Sagnaceffekt ist unabhängig von der Art des verwendeten Signals (elektromagnetische Welle, Schallwelle)
- der Sagnaceffekt ist im Kern ein relativistischer Effekt
- die scheinbaren Widersprüche zwischen dem Sagnac- und dem Michelson-Expedriment lösen sich im Rahmen der speziellen Relativitätstheorie (SRT) vollständig auf..
Hier möchte ich Ihnen zunächst die beiden Protagonisten dieser Arbeit kurz vorstellen:
Georges Sagnac und Albert Abrahm Michelson
Sie kennen vermutlich A.A. Michelson aus dem Schulunterricht - aber haben Sie schon 'mal etwas von Georges Sagnac gehört ?
Von Michelson stammt eines für die Physik des 20. Jahrhunderts wichtigsten, weil "erfolglosen" Experimente.
Das auf den ersten Blick sowohl bezüglich der Fragestellung, als auch der Methodik sehr ähnliche Experiment *) von Sagnac hat geklappt, ist aber weitgehend unbekannt geblieben !
Dieser (scheinbare) Widerspruch wird uns im Folgenden beschäftigen.
*) Die Ähnlichkeit der beiden Experimente, - vorallem in der mathematischen Beschreibung -, führt bis heute zu den abenteuerlichsten Irrtümern in der "Querdenkerszene".
Georges Sagnac
*14.10. 1869 (Perigeux), † 26.02. 1928 (Meudon-Belleville), (mehr)
Georges Sagnac untersucht 1913 die LIchtausbreitung in rotierenden Systemen. **)
Hier die etwas unübersichtliche Skizze des Orginalexperimentes.
**) Der Vollständigkeit halber sollte erwähnt werden, dass ein vergleichbares Experiment von Franz Harress zwischen 1909 und 1911 - also noch vor Sagnac - durchgeführt wurde.
Seine Messergebnisse wurden aber erst 1920 von Max von Laue richtig interpretiert. (mehr)
Hier die Prinzipskizze des Sagnacexperimentes:
in Ruhe
in Bewegung
Prinzipskizzen
Sagnac-Interferometer
In dieser Anordnung durchläuft das Licht (hier dargestellt durch eine kleine blaue Kugel) zunächst einen teildurchlässigen Spiegel, trifft dann auf einen Strahlteiler; dort wird es aufgeteilt (gelbe und grüne Kugel) läuft durch das kreisrunde Lichtleitersystem, wird nach einem Umlauf wieder ausgerkoppelt und schliesslich am ersten teildurchlässigen Spiegel überlagert.
Wenn das System sich in Ruhe befindet (linke Skizze), haben die beiden Lichtstrahlen nach einem Umlauf exakt den gleichen Laufweg hinter sich.
Uns interessiert nun die Frage, ob durch eine Drehbewegung des Systems (rechte Skizze) eine Änderung des Laufweges zwischen den gegensinnig umlaufenden Lichtwellenzügen hervorgerufen wird.
Sagnac hatte tatsächlich eine Laufwegdifferenz beobachtet. ( Eine ausführliche Herleitung findet sich im Abschnitt "Sagnac")
Albert Abraham MIchelson
*19.12. 1852 (Strelno, Provinz Posen), † 9.5. 1931 (Pasadena Kalifornien) (mehr)
Albert Abraham Michelson interessierte sich für die Lichtausbreitung in gleichförmig, geradlinig bewegten Systemen. Seine - erfolglosen ! - Experimente können als Ausgangspunkt für Einstein's Relativitätstheorie und damit für ein völlig neues Konzept von Raum und Zeit gelten.*) Er beschäftigte sich 50 Jahre mit dieser Frage, - von 1881 bis an sein Lebensende im Jahr 1931 . 1907 erhält er als erster Amerikaner den Nobelpreis.
Albert Abraham Michelson
in Ruhe
Prinzipskizze
Michelson-Interferometer
in Bewegung
Von einer Lichtquelle läuft einen Lichtstrahl (dargestellt durch eine kleine Kette aus drei blauen Kugeln) zu einem Strahlteiler; dort wird er aufgespalten. Die beiden Teilstrahlen laufen senkrecht zueinander zu einem Spiegel, werden dort reflektiert und anschliessend am Strahlteiler wieder überlagert.
Je nach der Laufwegslänge in den beiden Teilstrecken, treffen die Lichtwellen am Strahlteiler mit einer bestimmten Laufwegsdifferenz aufeinander, - im Beispiel oben links (in Ruhe) haben wir angenommen, dass die beiden Teilstrecken gleich lang sind und die Lichtwellenzüge deshalb gleichzeitig am Strahlteiler ankommen.
Für den Fall, dass sich das System in Bewegung befindet, hatte Michelson erwartet, dass sich zwischen den beiden Lichtwellenzügen eine Laufwegsdifferenz ergibt. (Eine ausführliche Herleitung findet sich im Abschnitt "Michelson".)
Michelson konnte allerdings keine Laufwegsdiffernz beobachten.
(Wegen seiner grundsätzlichen Bedeutung wird das Experiment bis heute mit ständig verbesserter relativer Genauigkeit bis zu 10 exp(-17) wiederholt. S.d. : https://de.wikipedia.org/wiki/Michelson-Morley-Experiment .)
Zwei Experimente - wo steckt das Problem ?
- in beiden Experimenten wird versucht die Laufzeit eines Signals zu messen und daraus auf die Systemgeschwindigkeit zu schliessen.
- mit dem Sagnac-Interferometer soll die Umfangs- Tangentialgeschwindigkeit eines rotierenden Systems gemessen werden.
- mit dem Michelson-Interferometer soll die Geschwindigkeit eines gleichförmig bewegten Systems gemessen werden.
- im Fall des Sagnac-Interferometers ergibt sich ein Messeffekt, das Michelson-Interferometer zeigt keinen Messeffekt !
Warum ?
Die Beantwortung dieser Frage ist eines der aufregensden Kapitel in der Physikgeschichte.
Es gibt eine Vielzahl von Versuchen die widersprüchlichen Ergebnisse der beiden Experimente in Einklang zu bringen..
Mit einiger Gedankenakrobatik konnte man zwar das Nullresultat des Michelson-Versuchs erklären (s.d. die Erläuterungen im Kapitel "Probleme"), scheiterte dann aber am positiven Ausgang des Sagnac-Versuches oder verstrickte sich in Widersprüche mit anderen Erkenntnissen.
Ich möchte Ihnen auf den folgenden Seiten ein paar dieser Erklärungsversuche vorstellen (hier klicken), - nicht nur weil es ähnlich wie in einem Krimi sehr spannend ist, den "Täter" bzw. den Fehler zu entdecken , sondern auch , um zu verdeutlichen, dass es aus heutiger Sicht nur ein Erklärungmodell gibt, das vollkommen widerspruchsfrei bleibt, - die spezielle Relativitätstheorie (SRT).
Um es gleich vorweg zu nehmen: Einige Grundannahmen der speziellen Relativitätsstheorie - z.B. die Unabhängigkeit der Lichtgeschwindigkeit vom Bewegungszustand der Quelle oder des Empfängers - steht im massiven Widerspruch zu unserer Alltagerfahrung und überfordert unser Vorstellungsvermögen! Aber ist das ein Kriterium ? Waren nicht auch die Menschen vor Kopernikus mit der Vorstellung überfordert, dass die Erde um die Sonne kreist ? Konnte man nicht jeden Tag beim Sonnenauf- und Untergang erleben, dass es genau umgekehrt ist ?
Fehmarn - Sonnenuntergang
Fußnote:
In den Physiklehrbüchern wird das Michelson-Experiment in der Regel recht ausführlich, das Sagnac-Experiment - wenn überhaupt - nur am Rande behandelt .
Das wundert mich, denn ....
1. Michelson selbst hat bereits 1904 die Existenz eines Effektes in rotierenden Systemen vorhergesagt und in einem engen Zusammenhang zu seinem eigenen Experiment gesehen (mehr dazu).
2. Die beiden Experimente ergänzen sich in hervorragender Weise als Bestätigung für die spezielle Relativitätstheorie, wie Max von Laue bereits im Jahr 1911, also 2 Jahre vor der Durchführung des Sagnac-Experimentes (! ), nachweisen konnte.
3. Der Sagnaceffekt hat - im Gegensatz zum Michelson-Experiment - eine große praktische (technische) Bedeutung erlangt. Er ist die physikalische Grundlage für die in den letzten Jahren mit Erfolg eingesetzten "optischen Kreisel", die als Laserkreisel in Navigationssystemen u.a. in Passagierflugzeugen und U-Booten verwendet werden.
4. Der Sagnac-Effekt ist im Gegensatz zu anderen relativistischen Effekten makroskopisch erfahrbar.
Eher unterhaltsam ist die Tatsache, daß..
5. Die gegensätzlichen Ergebnisse beider Experimente (Michelson negativ - Sagnac positiv) von den Kritikern der Speziellen Relativitätstheorie (SRT) häufig als Beleg für deren Ungültigkeit zitiert werden.
