Warum die Wissenschaft das falsche Konzept des Äthers brauchte

Die gescheiterten Versuche, die Existenz dieser "Substanz" nachzuweisen, markieren auch den Anfang einer der größten wissenschaftlichen Revolutionen der Neuzeit

Florian Freistetter

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Die Idee eines interplanetaren Äthers, der mit Luftschiffen befahren werden kann, lebt bis heute im Steampunk-Genre weiter. Dort ist sie auch besser aufgehoben als in der Wissenschaft.

Illustration: Stefan Holzhauer (Hg.)/CreateSpace

"Es kann keinen Zweifel geben, dass der interplanetarische und interstellare Raum nicht leer ist, sondern dass beide von einer materiellen Substanz erfüllt sind, die gewiss die umfangreichste und vermutlich einheitlichste Materie ist, von der wir wissen." Das schrieb im Jahr 1878 der große Physiker James Clerk Maxwell.

Die nach ihm benannten Maxwell-Gleichungen gehören zu den Fundamenten der modernen Physik. Sie beschreiben, wie elektrische und magnetische Felder zusammenhängen. Sie demonstrieren, dass die beiden bis dahin als unterschiedlich wahrgenommenen Phänomene tatsächlich nur zwei Erscheinungsformen eines viel umfassenderen "Elektromagnetismus" sind, und zeigen, dass dazu auch das Licht gehört, das Maxwell durch eine sich ausbreitende elektromagnetische Welle beschrieb.

Maxwell war einer der bedeutendsten Naturwissenschafter der Moderne, und seine Arbeit beeinflusst die Physik bis heute maßgeblich. Mit der eingangs zitierten Aussage lag er aber falsch. Das, was er da beschreibt, ist der berühmte Äther: eine hypothetische Substanz, von deren Existenz die Wissenschafter jahrhundertelang fest überzeugt waren.

Das fünfte Element

Schon in der Antike ging Aristoteles davon aus, dass es neben den vier irdischen Elementen (Feuer, Wasser, Luft, Erde) ein fünftes Element geben müsse, das dem Himmel vorbehalten sei. Dort, hinter der Umlaufbahn des Mondes, war das Universum anders beschaffen als auf der Erde. Es war reiner, göttlich – und von einer ewigen, zeitlosen und unveränderlichen Substanz erfüllt. Dieser antike Äther hat aber kaum etwas mit der Substanz zu tun, die sich Maxwell Jahrhunderte später im interplanetaren Raum vorstellte. Die Himmelskörper selbst bestünden aus dieser ganz speziellen Materie, meinte Aristoteles, weswegen sie auch ganz speziellen Gesetzen folgen würden – etwa der ewigen Bewegung auf Kreisbahnen um die Erde herum.

Dass die Erde nicht im Zentrum des Universums steht und die Philosophen der Antike sich auch mit ihrer simplen Vorstellung der Elemente geirrt hatten, war mit Beginn der neuzeitlichen wissenschaftlichen Revolution klar. Auf eine den ganzen Kosmos durchdringende Substanz wollten die Wissenschafter allerdings nicht verzichten. Leerer Raum widersprach immer noch den meisten philosophischen Ansichten.

Konkurrierende Äthertheorien

René Descartes beispielsweise war davon überzeugt, dass es nichts geben könnte, was keine Ausdehnung besitzt, und daher auch der Raum zwischen den Himmelskörpern mit Materie erfüllt sein müsse. Er entwickelte eine Theorie, in der alle physikalischen Prozesse und Kräfte durch Wirbel in diesem Äther vermittelt werden. Blaise Pascal, Robert Hooke, Christiaan Huygens und ihre Zeitgenossen entwickelten ebenfalls Theorien, in denen ein alles durchdringender Äther unbedingt nötig war. Selbst Isaac Newton, der mit seiner Theorie der Gravitation die Ätherwirbeltheorie von Descartes widerlegte, postulierte seinen eigenen Äther, um die Übertragung von Wärme erklären zu können. Newton bekannte aber auch: "[W]as der Äther ist, weiß ich nicht."

Für notwendig wurde er aber trotzdem noch befunden. Wenn Lichtwellen sich ausbreiten, dann brauchen sie auch ein Medium, in dem sie sich ausbreiten können. Etwas anderes schien für die Forscher des 17., 18. und 19. Jahrhunderts kaum vorstellbar. Wenn es den Äther aber tatsächlich gäbe, dann müsste jedes Objekt, das sich durch ihn hindurch bewegt, auch einen entsprechenden Widerstand spüren. Die Erde wäre einem Ätherwind ausgesetzt, und Licht müsste sich unterschiedlich schnell bewegen, je nachdem in welche Richtung es reist.

Fehlgeschlagene Experimente

Es fanden jede Menge Experimente statt, um diesen Effekt nachzuweisen – und alle verliefen erfolglos. Am bekanntesten sind vermutlich die Messungen, die Albert Michelson und Edward Morley Ende des 19. Jahrhunderts durchführten. Ihr gescheiterter Versuch, die Existenz des Äthers experimentell nachzuweisen, markiert aber auch den Anfang einer der größten wissenschaftlichen Revolutionen der Neuzeit.

Die fehlgeschlagenen Nachweise des Äthers führten Albert Einstein zu der Vermutung, dass es nicht möglich ist, Geschwindigkeiten – zum Beispiel von elektromagnetischen Wellen – in Bezug auf irgendeinen absoluten Raum oder Äther zu messen. In seiner berühmten Arbeit aus dem Jahr 1905, die die Grundlage der speziellen Relativitätstheorie darstellt, schreibt er: "Wir wollen diese Vermutung (deren Inhalt im folgenden 'Prinzip der Relativität' genannt werden wird) zur Voraussetzung erheben und außerdem die mit ihm nur scheinbar unverträgliche Voraussetzung einführen, daß sich das Licht im leeren Raume stets mit einer bestimmten, vom Bewegungszustande des emittierenden Körpers unabhängigen Geschwindigkeit V fortpflanze."

Und da Einstein für seine Theorie des Elektromagnetismus keinen absoluten Raum benötigt, erweist sich auch die "Einführung eines 'Lichtäthers' (…) als überflüssig", wie er schreibt. Genau das war die geniale Erkenntnis von Albert Einstein: Es braucht keine spezielle Materie, die den Raum erfüllt und die als Bezugssystem und Maßstab für alles andere gelten kann. Licht breitet sich immer mit der gleichen Geschwindigkeit aus, unabhängig vom Bezugssystem. Es braucht kein Medium, in dem es sich ausbreiten kann.

Pseudowissenschaftliche Lehren

Aus dieser Idee hat sich die moderne Physik entwickelt. Der Äther hat sich als historischer Irrtum herausgestellt. Die verschiedenen Theorien, die von den Wissenschaftern im Laufe der Jahrhunderte erdacht worden sind, waren im Kontext der damaligen Zeit durchaus vernünftige und plausible Modelle. Aber eben weil sie so vernünftig und plausibel erschienen, war es auch so schwer, sie wieder loszuwerden. Es brauchte die Genialität eines Albert Einstein, um den Äther endgültig abzuschaffen.

Den klassischen Äther findet man heute nur noch in den Privattheorien der diversen Pseudowissenschafter, die Einsteins Relativitätstheorie bzw. ganz allgemein die moderne Physik ablehnen. Die Wissenschafter selbst haben sich schon längst mit dem Konzept des Vakuums arrangiert, die Vorstellung eines leeren Raums führt heute nicht mehr zu philosophischen Ängsten.

Willkommen in der Quantenwelt!

Allerdings könnte man die Entwicklung auch anders interpretieren. Dort, wo die Relativitätstheorie den Äther abgeschafft hat, hat die zweite große physikalische Revolution der Quantenmechanik so etwas Ähnliches wieder eingeführt: Leeren Raum, in dem sich absolut "nichts" befindet, gibt es dort nicht. Das "Vakuum" ist voll mit Quantenfeldern (wie zum Beispiel dem Higgs-Feld), aus denen spontan Teilchen entstehen und wieder vergehen können. Es gibt eine "dunkle Energie", die das gesamte Universum durchdringt, seine Expansion immer mehr beschleunigt und bei der wir, wie damals Isaac Newton, feststellen müssen: Worum es sich dabei handelt, wissen wir nicht.

Mit dem klassischen Äther von Maxwell oder Aristoteles haben diese Phänomene natürlich nichts zu tun. Aber wer weiß, wohin uns die Erkenntnisse der nächsten Jahre und Jahrzehnte noch bringen werden? Vielleicht stellen wir fest, dass es tatsächlich irgendeine Kraft oder Materie gibt, die den gesamten Kosmos durchdringt. Vielleicht braucht es aber auch einen neuen Geistesblitz von Einstein'schem Ausmaß, und wir müssen warten, bis uns ein zukünftiges Genie zeigt, dass wir uns heute genauso geirrt haben wie die Wissenschafter in der Vergangenheit. (Florian Freistetter, 2.1.2017)

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