Sie kennen vermutlich A.A. Michelson - aber haben Sie auch schon einmal von Georges Sagnac gehört ?

Beide - Michelson und Sagnac - untersuchten vor etwa 100 Jahren die Lichtausbreitung in bewegten Systemen.

Albert Abraham Michelson interessierte sich für die Lichtausbreitung in gleichförmig, geradlinig bewegten Systemen. Er beschäftigt sich mit dieser Frage von 1881 bis an sein Lebensende.

1907 erhält er als erster Amerikaner den Nobelpreis.

Georges Sagnac arbeitet auf dem Gbiet der Röntgenstrahlung und untersucht 1913 die LIchtausbreitung in rotierenden Systemen. *)

Sagnac war Ritter der Ehrenledion.

.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. Das Sagnaceffekt hat - im Gegensatz zum Michelson-Experiment - eine große praktische Bedeutung erlangt. Er ist die physikalische Grundlage für den in den letzten Jahren mit Erfolg eingesetzten "optischen Kreisel", der als Präzisionssensor in Navigationssystemen u.a. in Passagierflugzeugen und U-Booten eingesetzt wird.

Eher unterhaltsam ist die Tatsache, daß..

4. Die gegensätzlichen Ergebnisse beider Experimente (Michelson negativ - Sagnac positiv) von den Kritikern der Speziellen Relativitätstheorie (SRT) häufig als Beleg für deren Ungültigkeit zitiert werden.

Kreisel werden in Navigationsystemen gebraucht, um die Drehbewegung eines Fahrzeugs, Flugzeugs, Schiffs oder was auch immer zu messen.

Populärer ausgedrückt: ein Kreisel kann feststellen ob sich das System dreht, ohne dabei "aus dem Fenster" zu sehen !

Beim mechanische Kreisel wird dazu die sog. "Drehimpulserhaltung" ausgenutzt, also die Tatsache, dass ein frei rotierender Körper bestrebt ist die Lage seiner Drehachse im Raum beizubehalten.

In der zweiten Hälfte des letzten Jahrhunderts entstand nun die Idee, ob sich zur Registrierung von Drehbewegungen nicht auch ein Effekt eignen könnte, der bereits in den Jahren 1909 bis 1912 von Harress und Sagnac experimentell nachgewiesen worden war. Es ging dabei um die Laufzeitveränderung von Licht auf einer in sich geschlossenen Umlaufbahn innerhalb eines rotierendern Systems. (Ich verspreche Ihnen: das wird demnächst klarer!)

Eine Hoffnung der Entwickler war es, die aufwendige und teure Kreiselmechanik durch integrierte Optik und Elektronik zu ersetzen und damit eine höhere Stabiltät und Genauigkeit bei gleichzeitig reduzierten Kosten zu erreichen.

Diese Hoffnung hat sich zwar erfüllt - aber dann passierte etwas womit niemand gerechnet hatte!

Aber auch wenn die optischen Kreisel nicht die ganz große "Karriere" gemacht haben, so wie die GPS-Navigation, - es sind doch immer noch genügend davon im Einsatz, so dass es sich lohnt den Sagnaceffekt etwas genauer zu betrachten. Und abgesehen von kommerziellen Aspekten, - der Sagnaceffekt um den es hier geht, wird in den Lehrbüchern sehr stiefmütterlich berhandelt, obwohl er im Grunde in die Reihe der großen Experimente in der Physikgeschichte gehört .

**) Der Nobelpreisträger und fanatische Gegner einer "jüdischen Physik" Philip Lenard z.B. war sicher , daß der Nachweis der Erdrehrate mit Hilfe des Sagnac-Interferometers ...so fehlerhaft gewesen sei, dass dieser dringend wiederholt werden müßte. (Deutsche Physik Bd.III, S. 110)

Und noch ein weiteres Argument, warum wir uns um den Sagnaceffekt kümmern sollten:

Machen Sie 'mal eine kleine Internetrecherche zum Thema "Sagnac", - Sie werden erstaunt sein:

- Sagnac & Co. ist ein Tummelplatz von Verfechtern einer Physik nach dem "gesunden Menschenverstand" und von "Einsteinhassern"; **)

- da werden die verschiedenen technischen Umsetzungen, im aktiven Ringlaser (Laserkreisel), im passiven Ringresonator (PARR-Kreisel) oder im Ringinterfometer (Faserkreisel-Kreisel) munter durcheinandergeworfen;

- die Größe der Signal- bzw. Lichtgeschwindigkeit ?
Oder: könnte man statt Licht auch eine Schallwelle verwenden?

- eine gleichförmige (System-)Geschwindigkeit ?
Oder: macht es einen Unterschied für den Meßeffekt, ob sich das Fahrzeug nicht nur dreht sondern auch noch mit einer gleichförmigen Geschwindigkeit bewegt ?

- ein dezentraler (System-) Drehpunkt ?
Oder : der Sagnaceffekt wird (fast) immer für einen zentralen Drehpunkt berechnet; was passiert wenn der Drehpunkt weit außerhalb des Gerätes liegt ?

Und : Ist der Sagnac-Effekt wirklich ein rein relativistischer Effekt ? ***)

Sie sehen zwei Laufzeitexperimente:

- im ersten (Michelson-) Experiment wird ein Signal (gelber Punkt) in zwei Teilsignale aufgeteilt (roter und blauer Punkt) und auf zwei senkrecht zueinander angeordnete Wege geschickt;

- im zweiten (Sagnac-) Experiment durchlaufen die Teilsignale eine ringförmige Anordnung in entgegengesetzter Richtung.

Na ja, - eigentlich hatten Michelson und Sagnac vor, etwas über die "Natur" des Lichtes herauszufinden, aber das hat nicht geklappt. Trotzdem haben die Experimente "Geschichte geschrieben" - Sie werden gleich sehen warum !

- In beiden Experimenten wird versucht, die Bewegung eines Systems bzw. Fahrzeugs zu messen.

- beim Michelson-Experiment soll die (gleichförmige) Geschwindigkeit der Anordnung gemessen werden

- beim Sagnac-Experiment soll die (gleichförmige) Drehgeschwindigkeit der Anordnung gemessen werden.

- In beiden Fällen wird versucht die jeweilige Größe über einen Laufwegeffekt zu bestimmen.

- in beiden Fällen wird die Lichtwelle - hier dargestellt durch einen gelben Punkt - an einem halbdurchlässigen Spiegel in zwei Teilwellen (rote und blaue Punkte) aufgespalten und in unterschiedliche Richtungen losgeschickt;

Das müssen Sie sich ungefähr so vorstellen:

- in beiden Fällen war zu erwarten, dass ein deutlicher Laufwegunterschied zwischen den beiden Signalen auftritt und der sollte um so größer sein, je schneller sich die Apparatur bewegt.

Etwa so:

Michelson hat sich im Grunde gar nicht für die Frage interessiert, mit welcher Geschwindigkeit sich sein Interferometer bewegt. Er wollte die Existenz eines Äthers als Trägermedium für Lichtwellen nachweisen!

Das lief dann am Ende auch auf die Suche nach einer Laufwegsdifferenz zwischen den beiden Lichtwellenzügen hinaus. Michelson hätte es ganz sicher entrüstet zurückgewiesen wenn man ihm unterstellt hätte er würde versuchen absolute Geschwindigkeiten zu messen, denn das wäre ja ein Widerspruch zum Relativitätsprinzip von Galilei, an dessen Gültigkeit auch in der vorrelativistischen Zeit niemand zweifelte.

Seine Suche nach einem Äther war in erster Linie der Versuch ein absolutes, universales Bezugssystem zu finden.!

Ich habe diese Art der Einführung gewählt um deutlich zu machen, dass der klassische Ansatz zu einem unauflöslichen Widerspruch führt. Eine Lösung dieses Dilemmas bietet die Relativitätstheorie, die wir hier zunächst nur zitieren. (Im Anhang werde ich versuchen die Grundlagen der speziellen Relativitätstheorie zu erläutern)

Darüber hinaus hoffe ich Ihnen beweisen zu können, dass der Sagnac-Effekt ein rein reativistischer Effekt ist. (hier)

Relativistische Effekte spielen in unserer alltäglichen Erfahrungswelt keine Rolle.

Sie sind eigentlich nur in den Grenzbereichen der moderen Messtechnik, in der Teilchenphysik, bei der Lichtausbreitung oder der Satellitennavigation (GPS) von Bedeutung. Mit unseren Sinnen erfassbar ist die Auswirkung der Relativitätstheorie in der Regel nicht !

Der optische Kreisel bildet hier ein bemerkenswerte Ausnahme - er ist ein sehr handfester, direkt "begreifbarer" Beleg für die Existenz eines relativistischen Effektes!

Man kann die widerspruchsfreie Beschreibung der Experimente von Michelson und Sagnac als Bestätigung für die Gültigkeit des Relativitätstheorie ansehen, aber niemand kann ausschliessen, dass es den Einsteingegnern eines Tages gelingt eine nichtrelativistische Erklärung für die Widersprüche zu finden.

Mag sein ! Aber solche Spekulationen bringen uns überhaupt nicht weiter !

Wenn das Modell gut ist, dann kann es nicht nur die Ergebnisse der bisherigen Beobachtungen erklären, es wird eventuell auch ein paar zutreffende Prognosen für zukünftige Experimenten abgeben - so wie z.B. die Lichtablenkung durch große Massen im Rahmen der allgemeinen Relativitätstheorie. Die Beispiele liessen sich beliebig fortsetzen.

Aber eines Tages gibt es eine Beobachtung, die vom aktuellen Modell nicht mehr erfasst ist; dann wird es Zeit das Modell zu wechseln oder zumindest zu erweitern. Das ist kein grundsätzliches erkenntnisstheorisches Problem, das sagt auch nichts über die "Qualität" des alten Modells aus, das ist einfach ein Merkmal der Weiterentwicklung. Die Geschichte der Physik ist voll davon!

Zum Problem wird ein solcher Modellwechsel aber dann, wenn das neue, oder das alte Modell mit der Wirklichkeit bzw. Wahrheit verwechselt wird. Wir leben nun 'mal in einer Welt die sich uns nur bruchstückhaft erschliesst.

Die Modelle der Physik sind nichts weiter als die Schatten einer Realität an Platons Höhlenwand, sie sind entweder richtig oder falsch (manchmal auch beides !) , aber sie haben (fast) nichts mit der Wirklichkeit zu tun !