Albert Abraham Michelson: Der Mann, der nichts fand

Im Jahr 1887 bauten Michelson und Edward Morley in Cleveland ein Instrument, das empfindlich genug war, um die Bewegung der Erde durch den Lichtäther zu erfassen – jenes unsichtbare Medium, von dem die Physik des 19. Jahrhunderts annahm, dass sich Licht darin wellenförmig ausbreitet. Sie fanden überhaupt keine Bewegung. Das Nullresultat zählt zu den folgenschwersten in der Wissenschaftsgeschichte, und sein Autor verbrachte den Rest seines Lebens damit, das zu tun, was er immer getan hatte: Dinge genauer zu messen, als es jemals zuvor geschehen war.

Von Strzelno nach Virginia City

Er wurde am 19. Dezember 1852 in Strelno, damals in Preußen und heute Strzelno in Polen, in eine polnisch-jüdische Familie geboren, die in die Vereinigten Staaten auswanderte, als er noch ein kleines Kind war. Sein Vater betrieb ein Geschäft, und der Junge wuchs in den rauen Bergbaustädten des amerikanischen Westens auf – Murphy’s Camp in Kalifornien und Virginia City in Nevada. Für die Highschool lebte er bei einer Tante, Henriette Levy, in San Francisco, wo er 1869 die öffentliche Schule abschloss. Seine Schwester Miriam wurde Schriftstellerin. Die Familie war nicht religiös; Michelson blieb zeit seines Lebens Agnostiker.

Eine Ernennung durch Präsident Grant

Im Jahr 1869 erhielt er durch Präsident Ulysses S. Grant eine spezielle Ernennung für die United States Naval Academy. Während seiner vier Jahre als Midshipman zeichnete er sich in Optik, Wärmelehre, Klimatologie und technischem Zeichnen aus und schloss 1873 als Fähnrich ab. Es folgten zwei Jahre Dienst auf See in Westindien, dann 1875 die Rückkehr nach Annapolis, um Physik und Chemie zu unterrichten.

Dort entwickelte sich 1877 eine Vorführung im Unterricht zu einer Lebensaufgabe. Als er aufgefordert wurde, den Studenten zu zeigen, wie die Lichtgeschwindigkeit gemessen werden kann, verbesserte Michelson den Apparat so effizient, dass er 1879 einen formellen Wert veröffentlichte: 299.910 Kilometer pro Sekunde, plus/minus 50. In jenem Jahr wurde er an das Nautical Almanac Office in Washington versetzt, um mit Simon Newcomb zu arbeiten, und ging dann nach Europa – Berlin, Heidelberg, das Collège de France, die École Polytechnique – bevor er seinen Dienst quittierte.

Auf der Jagd nach dem Licht

Die Lichtgeschwindigkeit wurde zum roten Faden seines Lebens. Sein Wert von 1883 lag bei 299.853 ± 60 km/s. Zwischen 1920 und 1926 sandte er einen Strahl zwischen dem Mount-Wilson-Observatorium und dem 35 Kilometer entfernten Lookout Mountain hin und her und erhielt 299.796 ± 4 – eine Präzision, die für sein jüngeres Ich unvorstellbar gewesen wäre, obwohl das Erdbeben von Santa Barbara im Jahr 1925 die Basislinie unter ihm möglicherweise verschoben hatte. Seine letzte Kampagne, die 1929 begann, leitete das Licht durch ein evakuiertes Rohr in der Nähe von Santa Ana. Er starb, als erst 36 von 233 geplanten Messreihen abgeschlossen waren; das Ergebnis, 299.774 ± 11 km/s, wurde 1935, vier Jahre nach seinem Tod, veröffentlicht. Über fünfzig Jahre hinweg hatte er die Unsicherheit der fundamentalen Naturkonstante von fünfzig Kilometern pro Sekunde auf elf reduziert.

Das Instrument, das dies ermöglichte, war seine eigene Erfindung. 1881 baute er das Interferometer, das einen Lichtstrahl in zwei Teile spaltet, die Hälften auf senkrechten Wegen aussendet und sie wieder zusammenführt, sodass die Interferenzstreifen Unterschiede in der Weglänge aufzeigen, die weit kleiner als eine Wellenlänge sind.

Das berühmteste Nullresultat der Wissenschaft

Nach seiner Berufung an die Case School of Applied Science in Cleveland im Jahr 1883 verfeinerte er das Interferometer und tat sich 1887 mit Edward Morley von der benachbarten Western Reserve University zusammen. Die Logik war einfach: Wenn die Erde einen stationären Äther durchpflügt, sollte Licht, das in Bewegungsrichtung ausgesandt wird, messbar länger brauchen, um zurückzukehren, als Licht, das quer dazu ausgesandt wird. Dreht man den Apparat, sollten sich die Streifen verschieben.

Sie verschoben sich nicht. Das Experiment gilt als die kanonische Demonstration, dass kein nachweisbarer Äther existiert. Hendrik Lorentz reagierte darauf mit der Entwicklung der Kontraktionsgleichungen, die Teil der Mathematik der speziellen Relativitätstheorie werden sollten. Ob dies Einstein direkt beeinflusste, ist weniger klar, als die Legende suggeriert; Einstein selbst sagte: „Ich war mir nicht bewusst, dass es mich direkt beeinflusst hätte... Ich glaube, ich habe es einfach als wahr vorausgesetzt.“ Michelson seinerseits wollte den Äther messen, nicht abschaffen, und konnte sich nie ganz mit der relativistischen Welt anfreunden, deren Einzug sein Experiment mit einleitete.

Chicago und der erste amerikanische Nobelpreis

1890 wechselte er an die Clark University in Worcester und 1892 an die neue University of Chicago, wo er Gründungslehrer und erster Leiter der Physikfakultät bis zu seiner Pensionierung im Jahr 1929 war. Er war 1900 Präsident der American Physical Society, 1910–11 der American Association for the Advancement of Science und von 1923 bis 1927 der National Academy of Sciences. Während des Ersten Weltkriegs kehrte er zur Marine zurück und entwarf einen Entfernungsmesser; zudem baute er das Stufengitter-Spektroskop, ein hochauflösendes Instrument zur Aufspaltung von Spektrallinien.

1907 wurde er der erste Amerikaner, der einen Nobelpreis in einer wissenschaftlichen Disziplin erhielt. Die Auszeichnungen häuften sich: Rumford (1888), Matteucci (1903), Copley (1907), Elliott Cresson (1912), Henry Draper (1916), die Albert Medal der Royal Society (1920), der Prix Jules Janssen (1922), die Goldmedaille der Royal Astronomical Society und die Franklin Medal (beide 1923).

Die Vermessung eines Sterns

1920 vollbrachte er zusammen mit Francis G. Pease am Mount Wilson etwas, das noch niemand zuvor getan hatte: Er maß den Durchmesser eines anderen Sterns als der Sonne. Unter Verwendung einer Periskopanordnung, die Licht von zwei bis zu sechs Meter voneinander entfernten Teilpupillen in die Hauptpupille des 100-Zoll-Hooker-Teleskops speiste, konnten sie den Roten Riesen Beteigeuze auflösen. Jedes große interferometrische Array, das heute in Betrieb ist – das VLTI in Chile, CHARA auf dem Mount Wilson, das NPOI der Marine – geht auf diese Anordnung zurück.

Warum Albert ein Genie genannt wird

Die fragliche Eigenschaft ist nicht theoretische Einsicht; Michelson stellte keine Gesetze auf und schrieb keine Gleichungen, die seinen Namen tragen. Es ist instrumentelle Vorstellungskraft – die Fähigkeit zu erkennen, dass eine Frage, die andere für unlösbar hielten, in Wahrheit ein Problem der Konstruktion eines besseren Messgeräts war, und es dann zu bauen. Das Interferometer war eine wahrhaft neue Idee, wie man zwei Größen vergleicht, und es verwandelte eine abstrakte kosmologische Frage in Streifen, die ein Mensch mit bloßem Auge zählen konnte. Dieselbe Fähigkeit brachte das Stufengitter-Spektroskop, den Entfernungsmesser der Marine und das Sterninterferometer hervor und drückte ein halbes Jahrhundert lang die Fehlerbalken bei der Lichtgeschwindigkeit zusammen.

Das Nobelpreiskomitee würdigte genau das: die Instrumente zuerst, die Ergebnisse danach. Er war der erste amerikanische Wissenschaftler, den seine europäischen Kollegen als Ebenbürtigen behandelten, und die Präsidentschaften dreier nationaler Körperschaften zeigen, dass seine Kollegen dies auch so sahen.

Das ehrliche Gegenargument ist, dass Michelson die Bedeutung seines berühmtesten Ergebnisses nicht verstand. Er jagte den Äther und war enttäuscht, ihn nicht zu finden; die Bedeutung lieferten Lorentz und Einstein. Er selbst gab an, weniger von großen Fragen als von Freude angetrieben zu werden – auf die Frage, warum er Licht studiere, soll er geantwortet haben: „weil es so viel Spaß macht.“ Bezeichne man ihn als den größten Experimentalphysiker seiner Zeit statt als einen ihrer großen Theoretiker, passt das Bild lückenlos.

Vermächtnis

Er starb am 9. Mai 1931 in Pasadena im Alter von 78 Jahren, wobei sein letztes Experiment zur Lichtgeschwindigkeit unvollendet blieb. Sein Name steht an Gebäuden der University of Chicago, der Case Western Reserve und der Naval Academy, am Michelson Laboratory der Naval Weapons Station in China Lake sowie auf dem Michelson-Morley Award und der Vortragsreihe an der Case Western. Das größere Denkmal ist prozeduraler Art. Das Interferometer, das er 1881 baute, um einem Medium nachzujagen, das gar nicht existierte, ist heute Standardausrüstung, wo immer Physiker zwei Längen mit unmöglicher Präzision vergleichen müssen, und das Array, das er 1920 auf dem Mount Wilson improvisierte, ist der Vorfahre jedes Teleskops, das einen Stern als Scheibe und nicht als Punkt auflöst.