mini|Einige Äthervorstellungen implizieren einen jahreszeitlich wechselnden Ätherwind Der Äther () ist eine hypothetische Substanz, die im ausgehenden 17. Jahrhundert als Medium für die Ausbreitung von Licht postuliert wurde. Später wurde das Konzept aus der Optik auch auf Elektrodynamik und Gravitation übertragen, vor allem um auf Fernwirkung basierende Annahmen zu vermeiden. Allgemein wurde der Äther als der Träger aller physikalischen Vorgänge angesehen.
Die Idee eines Äthers konnte experimentell nicht bestätigt werden. So konnten die Maxwellschen Gleichungen niemals vollständig in Übereinstimmung mit den mechanischen Äthermodellen gebracht werden. Ebenso musste der Äther einerseits als materieller Festkörper definiert werden, andererseits sollte sein Widerstand gegenüber der Bewegung der Himmelskörper unmerklich gering sein. Die Existenz sowohl eines ruhenden als auch die eines mitgeführten Äthers wurden durch Experimente und Beobachtungen widerlegt: Der ruhende Äther wurde durch das Michelson-Morley-Experiment widerlegt, und eine Äthermitführung widersprach der Aberration des Lichtes. Diverse Hilfshypothesen, die eingeführt wurden, um das Konzept zu retten, widersprachen sich selbst und erschienen zudem als willkürlich.
Ein Äther spielt also bei den beobachtbaren physikalischen Phänomenen keine Rolle. Ein Alternativkonzept, in dem ein mit einem Bewegungszustand verbundenes Medium nicht benötigt wird, wurde mit der speziellen Relativitätstheorie geschaffen. Mit ihrer Hilfe ließ sich die Ausbreitung elektromagnetischer Wellen erstmals widerspruchsfrei beschreiben; für weitere Gründe und Motivationen siehe den Hauptartikel Geschichte der speziellen Relativitätstheorie. Die relativistische Elektrodynamik wurde inzwischen mit der Quantenmechanik verschmolzen; die resultierende relativistische Quantenelektrodynamik benötigt ebenfalls kein Trägermedium für die Wellen.
Frühe Entwicklung der Lichtäther-Vorstellung
Platon und Aristoteles Der Begriff des Äthers wurde bereits in der Antike durch Platon in Timaios (59d) mit dem Namen der griechischen Gottheit Aither (altgriechisch Αἰθήρ, deutsch ‚Helligkeit‘) als „reinste Gattung der Luft“ gleichgesetzt. Später wurde er dem Dodekaeder der Platonischen Körpern zugeordnet, der den Kosmos repräsentiert. Aristoteles fügte den Äther den vier Elementen (Feuer, Luft, Wasser, Erde) als fünftes Element (Quintessenz) hinzu, das als „fünftes Seiendes“ alle Elemente durchdringt und „als vermittelndes Medium den Kosmos durchströmt“. Die Aristotelische Elementenlehre nahm ihn als masselose, unveränderliche, ewige Substanz jenseits der Mondsphäre und als Medium für die gleichmäßigen Kreisbewegungen der Gestirne an. Descartes, Hooke, Huygens In der Neuzeit ging René Descartes von folgenden philosophischen Erwägungen aus: Materie ist einzig durch Ausdehnung charakterisiert und umgekehrt existiert auch keinerlei Ausdehnung ohne Materie. Daraus folgt, dass der gesamte „leere“ Raum mit Materie ausgefüllt sein muss. Dies verband er mit der Vorstellung, dass alle Prozesse durch direkte Kontakte dieser Materie, d. h. als Nahwirkungen in Form von Bewegung und Druck aufgefasst werden müssen. Er benutzte diese Vorstellung 1637 in seiner Theorie über die Natur des Lichts, indem er kugelförmige Lichtteilchen postulierte, wobei der von diesen eng aneinander gepressten Teilchen ausgeübte statische Druck als Licht zu verstehen ist. Es gelang ihm dabei (wie vor ihm Willebrord van Roijen Snell 1621), die Brechungsgesetze zu entdecken.
Nach Descartes war es zu heftigen Diskussionen gekommen, ob ein leerer Raum denkbar sei. Blaise Pascal bemerkte hierzu: „Eher erträgt die Natur ihren Untergang als den kleinsten leeren Raum.“ Pascal kritisierte damit das Postulat von Zeitgenossen, sie hätten über Verkleinerung des Luftdrucks ein völliges Vakuum erzeugen können. Er bezog sich damit insbesondere auf Evangelista Torricellis Annahme, einen leeren Raum erzeugt zu haben. Pascal verwies darauf, dass das Fehlen von Luft nicht automatisch identisch mit einer völligen Leere des Raums sei.
Im Gegensatz zu Descartes’ Idee eines statischen Drucks ging Robert Hooke 1665 von einem „homogenen Medium“ aus, in dem sich Licht in Form von Pulsen und Vibrationen geradlinig und mit gleichmäßiger Geschwindigkeit in alle Richtungen ausbreitet. Jeder Lichtpuls kann als eine immer größer werdende Sphäre betrachtet werden, analog zur Ausbreitung der Wellen auf der Wasseroberfläche.Hooke hielt Licht für ein Phänomen schnell schwingender Bewegung, das sich „in alle Richtungen durch ein homogenes Medium bewegt, in Form von direkten oder geraden Linien, die sich in alle Richtungen ausdehnen, wie Strahlen aus dem Mittelpunkt einer Kugel […] Jeder Puls, jede Schwingung des Lichtkörpers erzeugt eine Kugel, die nach demselben Prinzip immer und immer größer aber unendlich flüchtig wird, während die Wellen oder Ringe auf der Oberfläche aufquellen, in immer größeren Kreisen um einen Punkt auf ihr.“ Zitiert nach der Times vom 15. September 1893 Das bedeutet, es findet kein Materietransport statt, vielmehr wird lediglich die Information über den Bewegungszustand übermittelt. Die unterschiedlichen Bereiche der Pulse würden bei dem Übergang von einem Medium ins andere unterschiedliche Geschwindigkeiten haben, womit Hooke Descartes’ Erklärung der Brechung ersetzte. Seine Theorie bedeutete zwar im Vergleich zu Descartes einen großen Fortschritt, aber da er noch nicht über die Begrifflichkeiten der Wellenlehre verfügte, konnte auch er nicht alle Gesetze der Brechung und Reflexion vollständig erklären. Auch seine damit zusammenhängende Theorie der Farben wurde bald von Newton widerlegt.
Christiaan Huygens schließlich formulierte 1678–1690 die erste vollständige Wellentheorie des Lichtes; sein Lichtäther durchdrang nach seiner Vorstellung die feste Materie ebenso wie den leeren Raum des Weltalls. Indem er eine systematische Beschreibung und Erklärung der Wellenphänomene entwarf, konnte er eine elegante Erklärung für die Reflexion und Brechung geben. Dies wurde als wichtiges Argument für die Wellentheorie und somit für den Äther angesehen.
Newtons Kritik Isaac Newton kritisierte, dass die Partikeltheorie nicht die Polarisation des Lichtes erklären könne. Trotzdem ging er davon aus, dass Licht aus Partikeln oder Korpuskeln besteht, um die geradlinige Ausbreitung und Reflexionserscheinungen mechanisch interpretieren zu können, wobei er keine speziellen Aussagen über die Natur dieser Korpuskel traf. Newton konnte mit diesem Modell die Lichtbrechung und Beugungserscheinungen nur unbefriedigend erklären. Deswegen behielt er zwar in seinem einflussreichen Werk Opticks (1704) die Korpuskularauffassung des Lichtes bei, kombinierte diese aber mit einem Äther, welcher für die Wärmeübertragung erforderlich sein sollte. Dieses Medium soll in der Nähe der Materie etwas an Dichte verlieren; durch Wechselwirkung der Korpuskel mit diesem Medium wird einerseits Wärme erzeugt, und andererseits entstehen Effekte wie Beugung und Brechung. Er schrieb:
Obwohl Newton im zweiten Buch seines Hauptwerks Principia Mathematica alle (stets auf einer Ätherhypothese beruhenden) Wirbeltheorien zur Erklärung der Planetenbewegungen widerlegt hatte – eine damals weitgehend anerkannte Hypothese war 1644 von Descartes veröffentlicht worden –, verwarf er den Äther nie endgültig, sondern bekannte – letztmals 1704 – in Opticks lediglich:
Lichtäther als Festkörper Von Ausnahmen wie Benjamin Franklin und Leonhard Euler abgesehen, wurde aufgrund der großen Autorität Newtons die Korpuskeltheorie von den meisten damaligen Physikern bevorzugt. Dies wurde vor allem durch James Bradleys Entdeckung (1728) der Aberration des Lichts bestätigt, welche besonders einfach mit der Teilchennatur in Verbindung gebracht werden konnte.
Erst 1800 bis 1804 konnte Thomas Young der Wellentheorie zum Durchbruch verhelfen. Young konnte als erster nachweisen, dass die Wellentheorie des Lichts manche Phänomene erklären konnte, die nicht mit der Korpuskeltheorie Newtons in Einklang zu bringen waren. So erklärte er z. B. die Newtonschen Ringe durch das Prinzip der Interferenz und führte als erster das Doppelspaltexperiment durch, dessen Ergebnis eindeutig für die Wellennatur des Lichts und somit für die Existenz des Äthers sprach. Auch Young war nicht in der Lage, den Effekt der Polarisation mit dem Wellenmodell zu vereinbaren. 1817 löste er auch dieses Problem, indem er annahm, dass Lichtwellen sich wie Transversalwellen verhalten – das war ungewöhnlich, da man sich in Analogie zum Schall die Lichtwellen als Longitudinalwellen vorgestellt hatte.
Augustin Jean Fresnel war es schließlich, der eine ausgearbeitete und vielfach bis zur heutigen Zeit gültige Theorie der optischen Erscheinungen auf Basis des Lichtäthers gab. Er leitete sie in der Zeit von 1816 bis 1819 nach dem Vorbild der Mechanik aus Eigenschaften des Äthers ab. Nach seiner Theorie verhält sich der Äther gegenüber Transversalwellen wie ein elastischer Festkörper. Das bedeutet, im leeren Raum ist der Äther in Ruhe und das Licht breitet sich in alle Richtungen gleich schnell aus.
Die Theorien des elastischen Äthers (in unterschiedlichen Ausprägungen) wurde u. a. von Claude Louis Marie Henri Navier (1827), Augustin Louis Cauchy (1828), Siméon Denis Poisson (1828), James MacCullagh (1837), Franz Ernst Neumann (1837), George Green (1838) fortgeführt. Einerseits waren diese Modelle bei der Entwicklung der Theorie der Festkörper sehr hilfreich und nützlich, andererseits aber gab es auch viele teilweise (aus heutiger Sicht) fantastische Hypothesen über die mechanische Ätherkonstitution.
Beispielsweise beruhte MacCullaghs Äthermodell von 1839 auf mechanischen Verdrehungen gegen den absoluten Raum in einem elastischen Festkörper und ergab Bewegungsgleichungen, die in ihrer Form genau den damals noch unbekannten Maxwellgleichungen entsprechen.Siehe dazu auch die Diskussion in: Der quasielastische Körper als Äthermodell – Abschnitt 15 von Kapitel III. In: Arnold Sommerfeld: Mechanik der deformierbaren Medien. 5. Aufl., bearbeitet und ergänzt von Erwin Fues und Ekkehart Kröner. Geest & Portig, Leipzig 1964. (Vorlesungen über Theoretische Physik; Band 2, Ed. 5) S. 96 ff Trotz dieser erstaunlichen Übereinstimmung musste das Modell wegen verschiedener Widersprüche bei der Erklärung optischer Erscheinungen verworfen werden. Erst 40 Jahre später wies George Francis FitzGerald dann darauf hin, dass MacCullogh mit seinen 1839 vorgestellten Gleichungen die 1864 veröffentlichten Maxwellgleichungen in gewissem Sinne vorwegnahm.Edmund Taylor Whittaker: History of the theories of ether and electricity. 1910, S. 289, 295, und zu MacCulloghs Theorie von 1839, speziell S. 154f (oder in Band 1 der 2. Auflage: S. 260, 265 bzw. speziell 142f.)
Elektromagnetischer Äther Nachdem im 16. und 17. Jahrhundert diverse Ätherdruckmodelle zur Erklärung von Magnetismus und Elektrizität entwickelt worden waren, führte der Siegeszug der newtonschen Gravitationstheorie dazu, dass auch für diese Phänomene eine Fernwirkung ohne Äther vorausgesetzt wurde. Es entstanden so die wichtigen Theorien von Charles Augustin de Coulomb und André-Marie Ampère. Dabei wurde bereits von Wilhelm Eduard Weber (1856) und anderen bemerkt, dass die Lichtgeschwindigkeit innerhalb des Elektromagnetismus eine bedeutende Rolle spielt.
mini|Theorie der Molekularwirbel des Äthers nach James Clerk Maxwell: AB bedeutet einen elektrischen Strom von A nach B, die kleinen Kreise stellen elektrische Teilchen dar, die großen Räume dazwischen sind die Molekularwirbel.