Das Michelson-Interferometer wurde nach dem Physiker Albert Michelson (1852-1931) benannt. Es besteht aus einer monochromatischen Lichtquelle (z.B. Laser), einem halbdurchlässigen Spiegel, zwei Oberflächenspiegel, einer Linse und einem Beobachtungsschirm.
Der vom Laser kommende Lichtstrahl wird am halbdurchlässigen Spiegel zu 50% nach oben reflektiert und zu 50% geradeaus durchgelassen. Diese beiden Strahlen treffen dann jeweils auf einen Oberflächenspiegel. Die reflektierten Strahlen treffen wieder auf den halbdurchlässigen Spiegel und verlassen diesen überlagert nach unten. Je nach den beiden Abständen des halbdurchlässigen Spiegels zu den beiden Oberflächenspiegeln besitzen die zwei wiedervereinten Strahlen eine bestimmte Verschiebung. Beträgt der Wegunterschied der beiden Strahlen n · λ, so trifft bei der Wiedervereinigung Wellenberg auf Wellenberg und die beiden Strahlen überlagern sich konstruktiv (= konstruktive Interferenz). Beträgt der Wegunterschied allerdings (2·n + 1) · λ/2, so trifft ein Wellenberg des einen Strahls auf ein Wellental des anderen Strahls. Es kommt zu einer sog. destruktiven Interferenz und die beiden Strahlen löschen sich aus.
Mit einer Linse werden die beiden zusammengeführten Strahlen aufgeweitet, sodass man das Interferenzmuster deutlicher auf dem Schirm erkennen kann. Es besteht aus hellen (konstruktive Interferenz) und dunklen (destruktive Interferenz) Streifen. Sieht man diese, so hat man beim Aufbau alles richtig gemacht.
Für die Teile eines solchen Michelson-Interferometers kann man ein altes DVD-Laufwerk schlachten. Darin sind neben der Laserdiode auch der halbdurchlässige Spiegel und die Linse enthalten. Lediglich die beiden Oberflächenspiegel (die reflektierende Schicht muss sich direkt an der Oberfläche befinden und nicht erst wie bei Spiegeln üblich hinter einer dickeren Glasschicht) müssen anderwertig besorgt werden.
Zum Justieren des Michelson-Interferometers benötigt man sehr fein verstellbare Spiegel. Diese lassen sich aber ebenfalls selbst herstellen. Man benötigt nur einen M3-Gewindeschneider und jeweils 2 Aluplatten, 3 Stück M3-Schrauben und 3 Stück Druckfedern pro verstellbaren Spiegel.
Das Michelson-Interferometer hat große Bedeutung erlangt bei der Entwicklung der speziellen Relativitätstheorie. Bis etwa zum Jahr 1900 ging man davon aus, dass Licht zur Ausbreitung ein eigenes Trägermedium, den sog. Äther benötigt. Dieser erfüllt so vermutet das ganze Universum und ruht. Licht bewegt sich mit der Geschwindigkeit c im Äther aus. Wenn sich nun die Erde relativ zum Äther mit der Geschwindigkeit v bewegt, so besitzt das Licht von der Erde aus gesehen je nach Ausbreitungsrichtung eine unterschiedliche Ausbreitungsgeschwindigkeit. In Richtung unserer Bewegung besitzt Licht dann nur die Geschwindigkeit c – v (entfernt sich von der Erde) bzw. c + v (kommt auf uns zu). Im rechten Winkel zur Erdbewegung besitzt Licht hingegen die Geschwindigkeit √(c² – v²). Als Analogon stellen wir uns einen Schwimmer mit der Geschwindigkeit c vor, der sich in einem Fluss bewegt, der wiederum die Fließgeschwindigkeit v relativ zum Ufer besitzt. Dann kommt es zu folgenden scheinbaren Geschwindigkeiten vom Ufer aus betrachtet:
Wenn man nun ein Michelson-Interferometer auf der Erde aufbaut und dieses sich mit der Erde im Äther mit der Geschwindigkeit v bewegt, so müsste sich das Licht in den beiden aufgespaltenen Strahlen des Interferometers unterschiedlich schnell bewegen und sich deshalb bei gleich langen Schenkeln mit einer bestimmten Verschiebung wiedervereinigen. Jetzt ist es aber nahezu unmöglich, für exakt gleich lange Schenkel zu sorgen, denn wie gesagt ein Unterschied in der Länge von lediglich λ/4 würde eine konstruktive Interferenz in eine destruktive Interferenz umwandeln.
Nun hatten aber die Physiker Albert Michelson (1852-1931) und Edward Morley (1838-1923) einen genialen Einfall: Sie sorgten nicht dafür, dass beide Schenkel des Interferometers gleich lang sind, sondern drehten den gesamten Aufbau vorsichtig um 90°. Auf diese Weise müsste, falls die Äthertheorie richtig war, der “schnelle Schenkel” zum “langsamen Schenkel” werden und umgekehrt. Aufgrunddessen müsste sich beim Drehen das Interferenzmuster verschieben. Aber es tat sich nichts!
Anmerkung: Diese Drehung musste natürlich extrem erschütterungsfrei erfolgen. Daher schwamm das gesamte Interferometer in Quecksilber. Auf diese Weise konnte vermieden werden, dass sich das Interferenzmuster nur aufgrund der Erschütterungen bereits ändert!
Um auszuschließen, dass sich die Erde zum Zeitpunkt des Experiments gerade durch Zufall in Ruhe zum Äther befand, wurde das Experiment während eines Jahres mehrmals wiederholt. Durch die Bewegung der Erde um die Sonne müsste dann die Erde eine Geschwindigkeit relativ zum Äther aufweisen.
Dieses experimentelle Resultat hatte für die spezielle Relativitätstheorie weitreichende Konsequenzen. Licht breitet sich also ungeachtet der Bewegung des Beobachters immer mit der Lichtgeschwindigkeit c aus. Laufen wir dem Licht hinterher oder bewegen wir uns in der Gegenrichtung weg macht keinen Unterschied!
Betrachten wir zum Abschluss zwei Koordinatensysteme (x,y,z) bzw. (x’,y’,z’). Das gestrichene Koordinatensystem bewege sich mit der Geschwindigkeit v nach rechts. Zum Zeitpunkt t = 0 befinden sich die beiden Ursprünge der Koordinatensysteme an derselben Stelle. Zudem wird zum Zeitpunkt t = 0 ein Lichtblitz am Ort der beiden Koordinatenursprünge gezündet. Nach einer Zeit t hat nun ein bestimmter Teil der Lichtfront für den Beobachter im ungestrichenen Koordinatensystem den Weg r = c · t zurückgelegt. Für den Beobachter im gestrichenen Koordinatensystem hat derselbe Teil der Lichtfront den Weg r’ = c · t’ zurückgelegt. Beide Strecken r und r’ sind augenscheinlich verschieden. Beide messen aber dieselbe Lichtgeschwindigkeit c! Daher bleibt als Konsequenz nur übrig, dass sich die Zeiten t und t’ unterscheiden. Dies führt zur sog. Zeitdilatation durch Bewegung bzw. etwas salopp formuliert zur Aussage “Bewegte Uhren gehen langsamer”. Dies ist eine der zentralen Aussagen der speziellen Relativitätstheorie.