Zuerst muss ich einen Skandal vermelden. CPAE, die Complete Papers of Albert Einstein der Princeton University, sind nicht mehr Open Access.

Soll ich jetzt die Offenbarung des Johannes lesen, oder was?

“Über den Äther”, ein ohnehin wenig bekannter Artikel von Einstein aus 1924, ist zu finden nur mehr schwer versteckt zwischen “Landtechnik Schweiz” und dem “Suchtmagazin” bei der ETH Zürich.

“Äther und Relativitäts-Theorie”, eine Rede gehalten von Einstein am 5. Mai 1920, ist die zweite Quelle.

Im Folgenden die Worte des Meisters aus beiden Artikeln.

Wir werden des Äthers, d.h. des mit physikalischen Eigenschaften ausgestatteten Kontinuums, in der theoretischen Physik nicht entbehren können.

Der nächstliegende Standpunkt, den man dieser Sachlage gegenüber einnehmen konnte, schien der folgende zu sein. Der Äther existiert überhaupt nicht.

Indessen lehrt ein genaueres Nachdenken, daß diese Leugnung des Äthers nicht notwendig durch das spezielle Relativitätsprinzip gefordert wird. Man kann die Existenz eines Äthers annehmen; nur muß man darauf verzichten, ihm einen bestimmten Bewegungszustand zuzuschreiben.

Was die mechanische Natur des Lorentzschen Äthers anlangt, so kann man etwas scherzhaft von ihm sagen, daß Unbeweglichkeit die einzige mechanische Eigenschaft sei, die ihm H. A. Lorentz noch gelassen hat. Man kann hinzufügen, daß die ganze Änderung der Ätherauffassung, welche die spezielle Relativitätstheorie brachte, darin bestand, daß sie dem Äther seine letzte mechanische Qualität, nämlich die Unbeweglichkeit, wegnahm.

muß man darauf verzichten, ihm einen bestimmten Bewegungszustand zuzuschreiben, d. h. man muß ihm durch Abstraktion das letzte mechanische Merkmal nehmen, welches ihm Lorentz noch gelassen hatte. Später werden wir sehen, daß diese Auffassungsweise […] durch die Ergebnisse der allgemeinen Relativitätstheorie gerechtfertigt wird.

Der Äther der allgemeinen Relativitätstheorie ist ein Medium, welches selbst a l l e r mechanischen und kinematischen Eigenschaften bar ist, aber das mechanische (und elektromagnetische) Geschehen mitbestimmt.

Verallgemeinernd müssen wir sagen. Es lassen sich ausgedehnte physikalische Gegenstände denken, auf welche der Bewegungsbegriff keine Anwendung finden kann. Sie dürfen nicht als aus Teilchen bestehend gedacht werden, die sich einzeln durch die Zeit hindurch verfolgen lassen.

Das spezielle Relativitätsprinzip verbietet uns, den Äther als aus zeitlich verfolgbaren Teilchen bestehend anzunehmen, aber die Ätherhypothese an sich widerstreitet der speziellen Relativitätstheorie nicht. Nur muß man sich davor hüten, dem Äther einen Bewegungszustand zuzusprechen.

Allerdings erscheint die Ätherhypothese vom Standpunkte der speziellen Relativitätstheorie zunächst als eine leere Hypothese.

Die elektromagnetischen Felder erscheinen als letzte, nicht weiter zurückführbare Realitäten, und es erscheint zunächst überflüssig, ein homogenes, isotropes Äthermedium zu postulieren, als dessen Zustände jene Felder aufzufassen wären.

Anderseits läßt sich aber zugunsten der Ätherhypothese ein wichtiges Argument anführen. Den Äther leugnen, bedeutet letzten Endes annehmen, daß dem leeren Raume keinerlei physikalische Eigenschaften zukommen. Mit dieser Auffassung stehen die fundamentalen Tatsachen der Mechanik nicht im Einklang.

Denn die Realdefinition der Beschleunigung kann nicht restlos auf Beobachtungen an starren Körpern und Uhren gegründet werden.

Man glaubt gewöhnlich, dass die Physik Newtons keinen Äther gekannt habe, sondern dass erst die Undulationstheorie des Lichtes ein allgegenwärtiges, die physikalischen Phänomene mitbedingendes Medium eingeführt habe. Dies ist jedoch nicht der Fall. Die NEWTONsche Mechanik hat ihren „Äther” in dem angedeuteten Sinne, der allerdings als „absoluter Raum” bezeichnet wird.

Waren in der NEWTONSchen Mechanik wenigstens alle Inertialsysteme gleichberechtigt, so schien der Maxwell- Lorenzschen Theorie der Bewegungszustand des berechtigten Koordinatensystems (Ruhe gegen den Äther) [noch] völlig determiniert zu sein.

Man erkannte [aber], dass die elektromagnetischen Gleichungen in Wahrheit gar keinen bestimmten Bewegungszustand auszeichnen … wenn man nur passende Transformationsformeln für die räumlichen Koordinaten und die Zeit anwendet.

Dem Äther der Elektrodynamik war nun kein bestimmter Bewegungszustand mehr zuzuschreiben. Er bewirkte nun — wie der Äther der klassischen Mechanik — nicht die Bevorzugung eines bestimmten Bewegungs-Zustandes, sondern nur die Bevorzugung eines bestimmten Beschleunigungs-Zustandes.

In der Dynamik Galileis und Newtons [enthält] das Bewegungsgesetz „Masse X Beschleunigung = Kraft” nicht nur eine Aussage über materielle Systeme. Denn die Realdefinition der Beschleunigung kann nicht restlos auf Beobachtungen an starren Körpern und Uhren gegründet werden. Sie kann nicht zurückgeführt werden auf die messbaren Abstände zwischen den das mechanische System konstituierenden Punkten. Man bedarf zu ihrer Definition noch eines Koordinationssystems, bzw. Bezugskörpers von geeignetem Bewegungszustand. Wird der Bewegungszustand des Koordinatensystems anders gewählt, so gelten inbezug auf dasselbe die NEWTONSchen Gleichungen nicht. In jenen Gleichungen tritt gleichsam das Milieu, in welchem die Körper bewegt sind, implicite als realer Faktor im Bewegungsgesetze auf neben den realen Körpern und ihren durch Messkörper definierbaren Abständen. In Newtons Bewegungslehre besitzt der „Raum” physikalische Realität.

Newton hätte seinen absoluten Raum ebensogut “Äther” nennen können; wesentlich ist ja nur, daß neben den beobachtbaren Objekten noch ein anderes, nicht wahrnehmbares Ding als real angesehen werden muß, um die Beschleunigung bzw. die Rotation als etwas Reales ansehen zu können.

Wir wollen dies physikalisch Reale, welches neben den beobachtbaren ponderabeln Körpern in das NEWTONsche Bewegungsgesetz eingeht, als „Äther der Mechanik” bezeichnen. Das Auftreten von Zentrifugalwirkungen bei einem (rotierenden) Körper, dessen materielle Punkte ihre Abstände gegeneinander nicht ändern, zeigt, dass dieser Äther nicht nur als ein Phantasiegebilde der NEWTONSchen Theorie aufzufassen ist, sondern dass ihm etwas Reales in der Natur entspricht.

Wenn Newton den Raum der Physik als „absolut” bezeichnet, so denkt er noch an eine andere Eigenschaft dessen, was wir hier „Äther” nennen. Jedes physikalische Ding beeinflusst andere und wird umgekehrt im allgemeinen von anderen beeinflusst. Letzteres trifft aber für den Äther der NEWTONSchen Mechanik nicht zu. Die trägheitspendende Eigenschaft des letztern ist nämlich gemäss der klassischen Mechanik durch nichts beeinflussbar, weder durch die Konfiguration der Materie, noch durch sonst etwas; insofern kann man ihn als „absolut” bezeichnen.

Auch nach der speziellen Relativitätstheorie war der Äther absolut, denn sein Einfluss auf Trägheit und Lichtausbreitung war als unabhängig gedacht von physikalischen Einflüssen jeder Art. Dadurch, dass in einem absoluten Sinne nicht mehr von gleichzeitigen Zuständen an verschiedenen Stellen des Äthers gesprochen werden konnte, wurde der Äther gewissermassen vierdimensional, denn es gab keine objektive Ordnung seiner Zustände nach der Zeit allein.

[Ernst] Mach suchte zwar der Notwendigkeit, etwas nicht beobachtbares Reales anzunehmen, dadurch zu entgehen, daß er in die Mechanik statt der Beschleunigung gegen den absoluten Raum eine mittlere Beschleunigung gegen die Gesamtheit der Massen der Welt zu setzen strebte. Aber ein Trägheitswiderstand gegenüber relativer Beschleunigung ferner Massen setzt unvermittelte Fernwirkung voraus. Da der moderne Physiker eine solche nicht annehmen zu dürfen glaubt, so landet er auch bei dieser Auffassung wieder beim Äther, der die Trägheitswirkungen zu vermitteln hat. Dieser Ätherbegriff, auf den die Machsche Betrachtungsweise führt, unterscheidet sich aber wesentlich vom Ätherbegriff Newtons Fresnels und H. A. Lorentz’. Dieser Machsche Äther b e d i n g t nicht nur das Verhalten der trägen Massen, sondern w i r d in seinem Zustand a u c h b e d i n g t durch die trägen Massen.

Der Machsche Gedanke findet seine volle Entfaltung in dem Äther der allgemeinen Relativitätstheorie. Nach dieser Theorie sind die metrischen Eigenschaften des Raum- Zeit-Kontinuums in der Umgebung der einzelnen Raum- Zeitpunkte verschieden und mitbedingt durch die außerhalb des betrachteten Gebietes vorhandene Materie. Diese raum-zeitliche Veränderlichkeit der Beziehungen von Maßstäben und Uhren zueinander, bzw. die Erkenntnis, daß der “leere Raum” in physikalischer Beziehung weder homogen noch isotrop sei, welche uns dazu zwingt, seinen Zustand durch zehn Funktionen, die Gravitationspotentiale g_ij zu beschreiben, hat die Auffassung, daß der Raum physikalisch leer sei, wohl endgültig beseitigt.

Der Äther der allgemeinen Relativitätstheorie unterscheidet sich also von demjenigen der klassischen Mechanik bezw. der speziellen Relativitätstheorie dadurch, dass er nicht „absolut”, sondern in seinen örtlich variablen Eigenschaften durch die ponderable Materie bestimmt ist.

Zusammenfassend können wir sagen: Nach der allgemeinen Relativitätstheorie ist der Raum mit physikalischen Qualitäten ausgestattet; es existiert also in diesem Sinne ein Äther.

Man könnte statt von „Äther” also ebensogut von „physikalischen Qualitäten des Raumes” sprechen.

Soweit die Worte des Meisters. Es kommt aber noch dicker. Mir scheint Einstein sieht den Äther der allgemeinen Relativitätstheorie näher an dem von Lorentz als an dem der speziellen RT. Mir schient Einstein will (mit Lorentz) die objektive Unbeweglichkeit nicht ausschliessen. Erlaubt er also einen Äther als ein objektiv ruhendes System? Glaubt Einstein gar an ein bevorzugtes Koordinatensystem? Fettdruck des Namens Lorentz im Nachfolgenden von mir.

Der Äther der allgemeinen Relativitätstheorie geht gedanklich dadurch in den Lorentzsehen über, daß man die ihn beschreibenden Raumfunktionen durch Konstante ersetzt, indem man absieht von den seinen Zustand bedingenden Ursachen. Man kann also wohl auch sagen, daß der Äther der allgemeinen Relativitätstheorie durch Relativierung aus dem Lorentzsehen Äther hervorgegangen ist.

Dass es in der allgemeinen Relativitätstheorie keine bevorzugten, mit der Metrik eindeutig verknüpften raumzeitlichen Koordinaten gibt, ist mehr für die mathematische Form dieser Theorie als für ihren physikalischen Gehalt charakteristisch.

Wir wissen auch nicht, ob seine Struktur nur in der Nähe ponderabler Massen von der Struktur des Lorentzsehen wesentlich abweicht, ob die Geometrie von Räumen kosmischer Ausdehnung eine nahezu euklidische ist. Wir können aber auf Grund der relativistischen Gravitationsgleichungen behaupten, daß eine Abweichung vom euklidischen Verhalten bei Räumen von kosmischer Größenordnung dann vorhanden sein muß, wenn eine auch noch so kleine positive mittlere Dichte der Materie in der Welt existiert. In diesem Falle muß die Welt notwendig räumlich geschlossen und von endlicher Größe sein, wobei ihre Größe durch den Wert jener mittleren Dichte bestimmt wird.

Für mich klingt hier an, dass er sich der SRT nicht ganz sicher ist, sie geht nur “gedanklich über” und “Wir wissen nicht” ob die “Geometrie kosmischer Ausdehnung” vielleicht doch “wesentlich abweicht” von der SRT.

Interessant dazu noch seine Ausführungen zur euklidischen Geometrie.

Die Geometrie Euklids [ist] aufgefasst als die Lehre von den möglichen Arten, praktisch starre Körper miteinander in Berührung zu bringen.

Irgend welche Milieu-Einflüsse, die als unabhängig von den Körpern vorhanden und als auf die Körper wirkend und ihre Lagerungs-Gesetze beeinflussend gedacht würden, kennt die euklidische Geometrie nicht.

Ebensowenig wie die euklidische (physikalisch interpretierte) Geometrie einen Äther braucht, ebensowenig bedarf die Kinematik […] der klassischen Mechanik eines solchen.

Anders in der Dynamik Galileis und Newtons. Das Bewegungsgesetz „Masse X Beschleunigung Kraft” enthält nicht nur eine Aussage über materielle Systeme.

Während in der klassischen Physik die Körper-Geometrie als unabhängig vom Bewegungszustande vorausgesetzt wird, sind gemäss der speziellen Relativitätstheorie die Gesetze der euklidischen Geometrie für die Lagerung von relativ zu einander ruhenden Körpern nur dann massgebend, wenn diese Körper relativ zu einem Inertialsystem in Ruhe sind; (Für Körper, welche zwar relativ zu einander in Ruhe sind, aber in ihrer Gesamtheit gegen ein Inertialsystem rotieren, gilt beispielsweise (gemäss der speziellen Relativitätstheorie) die euklidische Geometrie nicht.) dies kann leicht aus der sogenannten Lorentz-Kontraktion geschlossen werden. Also wird die Körpergeometrie wie die Dynamik vom Äther mitbedingt.

Dass für die Bevorzugung der Inertialsysteme gegenüber den Nicht-Inertialsystemen ein reales Ding als Ursache vorausgesetzt werden müsse, wurde den Physikern erst in den letzten Jahren deutlich.

Poincaré

Aus: Einstein, Mein Weltbild, Geometrie und Erfahrung

Es ist klar, daß das Begriffssystem der axiomatischen Geometrie allein über das Verhalten derartiger Gegenstände der Wirklichkeit, die wir als praktisch starre Körper bezeichnen wollen, keine Aussage liefern kann.

Um dies zu bewerkstelligen, braucht man nur den Satz zuzufügen: Feste Körper verhalten sich bezüglich ihrer Lagerungsmöglichkeiten wie Körper der euklidischen Geometrie von drei Dimensionen; dann enthalten die Sätze der euklidischen Geometrie Aussagen über das Verhalten praktisch starrer Körper.

Die so ergänzte Geometrie ist offenbar eine Naturwissenschaft; wir können sie geradezu als den ältesten Zweig der Physik betrachten. Ihre Aussagen beruhen im wesentlichen auf Induktion aus der Erfahrung, nicht aber nur auf logischen Schlüssen. Wir wollen die so ergänzte Geometrie »praktische Geometrie« nennen und sie im folgenden von der »rein axiomatischen Geometrie« unterscheiden.

In einem relativ zu einem Inertialsystem rotierenden Bezugssystem entsprechen die Lagerungsgesetze starrer Körper wegen der LorentzKontraktion nicht den Regeln der euklidischen Geometrie; also muß bei der Zulassung von Nicht-Inertialsystemen als gleichberechtigten Systemen die euklidische Geometrie verlassen werden.

Lehnt man die Beziehung zwischen dem praktisch-starren Körper und der Geometrie ab, so wird man sich in der Tat nicht leicht von der Konvention freimachen, daß an der euklidischen Geometrie als der einfachsten festzuhalten sei.

Lehnt man die Beziehung zwischen dem Körper der axiomatischen euklidischen Geometrie und dem praktisch-starren Körper der Wirklichkeit ab, so gelangt man zur folgenden Auffassung, der insbesondere der scharfsinnige und tiefe Henri Poincaré gehuldigt hat:

Die Geometrie (G) sagt nichts über das Verhalten der wirklichen Dinge aus, sondern nur die Geometrie zusammen mit dem Inbegriff (P) der physikalischen Gesetze. Symbolisch können wir sagen, daß nur die Summe (G) + (P) der Kontrolle der Erfahrung unterliegt. Es kann also (G) willkürlich gewählt werden, ebenso Teile von (P); all diese Gesetze sind Konventionen. Es ist zur Vermeidung von Widersprüchen nötig, den Rest von (P) so zu wählen, daß (G) und das totale (P) zusammen den Erfahrungen gerecht wird. Bei dieser Auffassung erscheinen die axiomatische Geometrie und der zu Konventionen erhobene Teil der Naturgesetze als erkenntnistheoretisch gleichwertig.

Warum wird von Poincaré und anderen Forschern die naheliegende Äquivalenz des praktisch-starren Körpers der Erfahrung und des Körpers der Geometrie abgelehnt? Einfach deshalb, weil die wirklichen festen Körper der Natur bei genauerer Betrachtung nicht starr sind, weil ihr geometrisches Verhalten, d.h. ihre relativen Lagerungsmöglichkeiten, von Temperatur, äußeren Kräften usw. abhängen.

Sub specie aeterni hat Poincaré mit dieser Auffassung nach meiner Meinung recht. Der Begriff des Meßkörpers sowie auch der ihm in der Relativitätstheorie koordinierte Begriff der Meßuhr findet in der wirklichen Welt kein ihm exakt entsprechendes Objekt. Auch ist klar, daß der feste Körper und die Uhr nicht die Rolle von irreduzibeln Elementen im Begriffsgebäude der Physik spielen, sondern die Rolle von zusammengesetzten Gebilden, die im Aufbau der theoretischen Physik keine selbständige Rolle spielen dürfen. Aber es ist meine Überzeugung, daß diese Begriffe beim heutigen Entwicklungsstadium der theoretischen Physik noch als selbständige Begriffe herangezogen werden müssen; denn wir sind noch weit von einer so gesicherten Kenntnis der theoretischen Grundlagen der Atomistik entfernt, daß wir exakte theoretische Konstruktionen jener Gebilde geben könnten.

Zur Zurechtrückung

If for some reason we should consider the system A at rest (say, for argument’s sake, in the ether) and B moving with velocity v, the rods of the system B would look contracted not only if measured with the rods of A, but also, and by exactly the same amount, if measured with the rods of a system C which, relative to B, moves with the same velocity v with which B moves relative to A (so that, according to Einstein’s rule for adding velocities, C will move relative to A with a velocity u = 2v/(I +v^2/c^2) in the same direction as B). That is to say, we get the same contraction if we measure the B-rod in two systems, A and C, which move with a high velocity relative to each other.

It is this situation which shows that none of the (inertial) systems is to be preferred as being at rest, and which thus leads to the abandonment of the ether, that is to say, of the assumption that there is a system, such as A, which is at rest relative to the ether (and therefore’ absolutely’ at rest): it is impossible that A and C are both at rest, yet the rods in B behave symmetrically with respect to A and C. Or to put it in another way: the conjecture that the ether makes the rods of the moving system B contract relative to the system A (which was assumed to be at rest in the ether) is to be rejected according to Einstein, because the rods of B are contracted in exactly the same manner relative to C which cannot possibly be at rest in the ether if A is at rest in the ether.

(aus: Popper, “A Note on the Difference Between the Lorentz–Fitzgerald Contraction and the Einstein Contraction”, Br. J. Phil. Sci. 16:64 (Feb 1966): 332–333)