DE4217492A1 - Verfahren zum Messen der Geschwindigkeit und Richtung der Erdbewegung im interstellaren Raum vermittels Michelson'schen Effekts und Radiowellen - Google Patents

Description

Das vorliegende Verfahren will die These des Albert Abraham Michelson (1852-1931) benutzen, die besagt: die Ausbreitungsge­ schwindigkeit des Lichtes einer bewegten Lichtquelle wird nicht durch deren Bewegungsgeschwindigkeit verändert, wenn beide Ge­ schwindigkeit in die gleiche oder auch eine in die entgegenge­ setzte Richtung gehen. Dabei entsteht nun ein Effekt, den der Ver­ fasser "Michelson-Effekt" nennen will, nämlich: wenn eine elektro­ magnetische Welle (bei Michelson war es Licht) eine vorbestimmte Wegstrecke durchläuft, dann wird die Welle einen etwas größeren Weg durchlaufen müssen, wenn diese Wegstrecke sich in der Ausbrei­ tungsrichtung der Welle auch bewegt. Bei entgegengesetzten Ge­ schwindigkeiten wird es ein kürzerer Weg sein. Die Konsequenz ist, daß ein Beobachter am Ende der Wegstrecke eine zunehmende Phasen­ verschiebung der dort ankommenden Wellen feststellen wird, wenn die Wegstrecke z. B. durch Drehen derselben aus der Stellung "beide Geschwindigkeiten entgegengesetzt" in die Stellung "beide Ge­ schwindigkeiten gleichgerichtet" gelangt ist. Die Phasenverschie­ bung wird der Beobachter jedoch nur feststellen können, wenn er die gleiche Welle zur Hand hat, die keine Phasenverschiebung auf­ weist, mithin der Erdbewegung nicht ausgesetzt wurde, also um 90° verdreht zur Ausbreitungsbewegung sich bewegt hat und dann beide miteinander vergleicht. Michelson löste diese Aufgabe derartig, daß er den Lichtstrahl durch einen beiderseitig halbdurchlässigen Spiegel so schickte, daß der gespiegelte Strahlenteil rechtwinklig zum durchlässig gegangenen sich ausbreitete. Beide Teilstrahlen wurden dann durch je einen anderen normalen Spiegel wieder zurück zum halbdurchlässigen reflektiert. Der vorher durchlässig gegan­ gene Lichtstrahl wird jetzt wiederum zu einer Hälfte durchgelassen und wird nicht weiter gebraucht, während der jetzt reflektierte um 90° versetzt gespiegelt zum dort befindliche Beobachter gelangt. Die zweite Hälfte des ursprünglichen Strahls kommt auch noch vom zweiten Spiegel zurück zum halbdurchlässigen, durchdringt ihn zur Hälfte und geht auch zum Beobachter. Der gespiegelte andere Teil wird um 90° versetzt gespiegelt und wird dort (ebenso wie die der ersten Hälfte) nicht gebraucht. Der Beobachter hat nun zwei (einander gleich zu machende) Wellenwege von denen er den einen in die Richtung der Erdbewegung drehen muß, während der andere (rechtwinklig an den ersten gebaut) unbeeinflußt bleibt (nach Mi­ chelson) durch seine 90° Stellung zur Erdbewegung. Die beiden Lichtstrahlen, die der Beobachter empfängt, müssen nun bei einer Drehung um 90° der gesamten Apparatur durch den Austausch der bei­ den Wegearme eine Zunahme der Phase des einen Lichtstrahls und eine Abnahme der Phase des anderen Lichtstrahls Schwebungen er­ scheinen lassen, also viermal bei 360° Drehung Zu- und Abnahme der Intensität des Lichtstrahls.

Michelson wollte nun mit dieser Apparatur im Jahre 1880 in dem Helmholz′ schen Institut der Physikalischen-Technischen Reichsan­ stalt in Berlin-Charlottenburg den ersten Versuch durchführen. Die Apparatur hatte einen Lichtweg hin und zurück von einem Meter. Er wollte damit zur Mittagszeit die Erdgeschwindigkeit (von ca. 30 km/sec) messen. Er brach aber bald den Versuch ab wegen zu ho­ hen Umwelterschütterungen (Straßenverkehr u. ä.) wie er sagte. Aber auch im astro-physikalischen Observatorium in Potsdam, in das er gezogen war, hatte er keinen Erfolg aufzuweisen.

Im Jahre 1881 verfaßte Michelson darauf eine Schrift in engli­ scher Sprache: THE RELATIVE MOTION OF THE EARTH AND THE LUMINOFEROUS ETHER. Wahrscheinlich daraufhin wurde er als Physik­ professor nach Cleveland USA berufen. Sein Assistent wurde damals E. W. Morley. Vermutlich fand dieser dann einen Irrtum in den Be­ rechnungen Michelson′s heraus. Dieser Irrtum Michelson′s bestand darin, daß er den mathematischen Wert für den Zurücklauf des Lichtstrahls vom Hinlaufen abgezogen hatte, da, wie er meinte, die beiden entgegengesetzt laufen, müßten sie auch voneinander abge­ zogen werden.

Im Jahre 1887 fertigten beide daraufhin eine neue Apparatur an, die eine weitere Verbesserung enthielt, bei der die beiden geteil­ ten Lichtstrahlen eine mehrfache Reflexion durchlaufen mußten. Bei einem auf 0,77 m vergrößerten halben Lichtweg wurde dabei jeder der beiden Strahlenhälften dreizehnmal auf dem Hin- und Rückweg reflektiert, so daß dadurch 20 m gesamter Strahlenweg herauskamen anstatt früher 1 m in Berlin-Charlottenburg und Potsdam. Man nann­ te diese Mehrfachreflexion "Dreifachreflexion", weil zwei mal drei der normalen Spiegel mehr gebraucht wurden. Aber auch mit dieser verbesserten Apparatur hatte Michelson-Moreley in Cleveland keinen Erfolg.

Bis dann im Jahre 1904 C. D. Miller herausfand, daß Michelson sich ein zweitesmal geirrt hat und das ist heute noch in seiner engli­ schen Schrift nachweisbar, denn er sagte dort: bewegt sich das Licht jedoch auf einer zur Erdbewegung senkrecht stehenden Rich­ tung, so würde es völlig unbeeinflußt bleiben. Das ist vollkommen falsch, denn nach der mathematischen Berechnung beträgt die Weglängenveränderung 90° zu Bewegungsrichtung bei der Michel­ son′schen Apparatur immerhin noch etwa 50%.

Das heißt, daß die Wegverlängerung nur noch die Hälfte der von Michelson-Morley projektierten war. Weil sich aber immer nur die halben Wellenlängen gegenseitig auslöschen, verdoppelt sich die Wegeverlängerung, so daß die Wegeverlängerung wieder ihren ur­ sprünglichen Wert hat. Pro Meter Weglänge gibt es bei 30 km/sec Erdbewegung nur 1/100 µ Wegeverlängerung, multipliziert mit zwei wegen der 1/2 Wellenlängenauslöschung, dividiert durch zwei wegen dem zweiten Fehler Michelson′s (50%). Zum Auslöschen jeder von al­ len Farben des sichtbaren Spektrums, das vom dunklen Rot 0,78 µ bis Violett 0,39 µ geht, muß mindestens eine Wegverlängerung von 0,78 µ erreicht werden. Bei der verbesserten Apparatur vom Jahre 1887 lag die ,Auslöschungswelle mit 0,4 µ gerade bei dem Violett mit 0,39 µ, dem dunkelsten des ganzen Spektrums, allerdings mit dem zweiten Fehler Michelson′s, der bei der Projizierung der Appa­ ratur noch nicht bekannt war. In der Realität lag also die Appara­ tur vom Jahre 1887 mit 0,2 µ jenseits des Violetts, im Ultravio­ lett, im Unsichtbaren und konnte nicht funktionieren.

Lord Kelvin (nach dem die absolute Temperaturskala benannt wird) veranlaßte Morley dazu, sich mit Miller zusammenzutun, um einen neuen Versuch zu starten. 1905 war die neue Apparatur fertig: sie hatte einen vergrößerten halben Lichtweg von 2 m und eine vierfa­ che Reflexion, so daß der gesamte Ausbreitungsweg 68 m war und bis zu einer 0,68 µ Auslöschung reichte, d. h. vom Violett bis Orange. Eine enorme Lichtweglänge wenn man bedenkt, daß die Genauigkeit des Abgleichs der beiden Lichtwege bedeutend weniger als 1/100 µ betragen muß. Jedoch auch mit dieser Apparatur erreichten Morley- Miller keinen Nachweis der 30 km/sec Erdbewegung, der Versuch ver­ lief also negativ, wie gesagt wurde.

Jedoch später widerrief Miller das Negative des Versuchs und hatte damit Ärger bei Morley. Er entdeckte, daß die Beobachtung durch das Okular der Apparatur fehlerhaft war und fand somit den dritten Irrtum Michelson′s. Seit dem ersten Versuch Michelson′s in Berlin- Charlottenburg konnte er im Okular der Apparatur den Lichtfleck, den die zusammengeführten beiden Lichtstrahlen hervorriefen, nur sehr klein halten, denn rundherum traten, wie bei einer Ziel­ scheibe, spektralfarbige Ringe auf, die wahrscheinlich Lichtbeu­ gungen waren und von den vielen Spieglungsrändern herrührten. Es müßten beim Michelson-Morley Versuch über 14 und beim Morley- Miller Versuch über 18 regenbogenfarbige Ringe gewesen sein.

Beim Längen-Abgleich der beiden Lichtstrahlenwege veränderten die Ringe ihren Durchmesser und Michelson und später auch Morley und zuerst auch Miller erwarteten von der Längenveränderung der 30 km Erdbewegung die gleiche Veränderung der Durchmesser der farbigen Ringe. Durch die große Anzahl der Ringe wurde der weiße Lichtfleck im Zentrum natürlich sehr klein gehalten und blieb so bei der Be­ obachtung außer Acht.

Miller muß nun später diesen Irrtum erkannt haben, denn er führte 1921 bis 1926 in dem Observatorium auf dem 1800 m hohen Mount Wilson und später dann in Cleveland erneut Versuche durch. Er hatte wahrscheinlich die Punktblende in der Lichtquelle durch eine Spaltblende ersetzt und im Okular die Vergrößerung so groß ge­ macht, daß der Spalt die Höhe des Gesichtsfeldes voll ausfüllte. Dann wollte er den weißen Lichtspalt noch in seine Spektralfarben zerlegen. Einen entsprechenden Spektralapparat fand er dann im Ob­ servatorium auf dem Mount Wilson, weswegen er mit seiner ganzen Apparatur dort hinauf gezogen war. Er wollte mit dieser Verbesse­ rung seiner Apparatur sehen können, wie die Auslöschung der Farbe bzw. der Frequenz in dem entstandenen Spektralband erscheint und dann, um sie zu messen.

Aber Miller hatte nichts beobachten können, also wieder Versuch Miller negativ. Die erste Apparatur, die technisch vollkommen war, hätte in dem "Klassischen Michelson′schen Versuch" die Erdbewegung von 30 km/sec, entgegen den Aussagen des Newton′schen "Klassischen Relativitätsprinzip" Ergebnisse messen lassen können, aber ver­ sagte, weil es keine 30 km/sec gab und gibt, sondern nur 300 km/sec plus-minus 30 km/sec (oder die dazwischenliegenden Werte, je nach dem Winkel in dem die beiden zusammentreffen). Diese 300 km/sec sind die Geschwindigkeit mit der sich unser Sonnensystem in der Spirale unserer Galaxie "Milchstraße" bewegt (nicht die der gesamten Milchstraße im Weltall die noch unbekannt ist und vielleicht von dem vorliegenden Verfahren gemessen werden kann).

Miller, der von all dem nichts wußte, entschied sich zuletzt zu einem fragwürdigen Versuch, nachdem mittags oder mitternachts keine Ergebnisse zu erzielen waren. Er drehte die Apparatur konti­ nuierlich 24 Stunden lang mit einer Drehgeschwindigkeit von 1 und 1/3 Umdrehungen in der Minute. Das sind 1920 in 24 Stunden und no­ tierte, bei jedem Durchgang einer Auslöschung im Spektrumband des Spektroskops, Azimut und Sternenzeit. Dann zog er wahrscheinlich das arithmetische Mittel aus all diesen Werten und gelangte zu ei­ ner Erdgeschwindigkeit von 10 km/sec. Miller brachte darauf seine Apparatur wieder nach Cleveland, wo er sich wahrscheinlich ein ei­ genes Spektroskop besorgte. Nach der Inbetriebnahme erhielt er dort dieselben Werte wie auf dem Mount Wilson 10 km/sec Erdge­ schwindigkeit. Nach Meinung des Verfassers war Miller der Erste, der die 300 km/sec der Erdbewegung in der Spirale der Galaxie Milchstraße empfangen hat. Bei bestimmten Einfallswinkeln der 300 km/sec Bewegung erzeugt diese in den beiden Ausbreitungsarmen der Miller′schen Apparatur eine Differenz der Wegvergrößerungen, die dann zur Anzeige, zur Auslöschung einer Farbe im Spektroskop geführt haben muß. Der Einfallswinkel braucht dabei nicht immer in der Ebene der beiden Arme zu liegen. Daraus erklärt sich auch die Vielheit der Meßwerte Miller′s. Es müssen 1/3 aller Meßpunkte ge­ wesen sein, damit beim arithmetischen Mitteln 1/3 von 30 km/sec = 10 km/sec heraus kam.

Das war im Jahre 1926, aber die wissenschaftliche Welt interes­ sierte sich nicht mehr für den " Michelson′schen Effekt", denn um die Jahrhundertwende wurde diese Frage entschieden: im Jahre 1892 hatten Fitzgerald in Dublin und H. A. Lorentz in Leyden getrennt voneinander gesagt, daß sich der in der Bewegungsrichtung der Erde (mit 30 km/sec) befindliche Ausbreitungsarm der Michelson′schen Apparatur wie auch jeder andere Körper mechanisch zusammenzieht um den Betrag, um den sich der Ausbreitungsweg des Lichtes vergrößert hat. Es wurde diese Verkürzung "Lorentz-Kontraktion" genannt, weil Lorentz diesen Vorgang mathematisch in Formeln gefaßt hat, die man Lorentz-Transformation nannte. Albert Einstein übernahm 1905 die­ sen gesamt Inhalt der Lorentz-Transformation in seine "Spezielle Relativitätstheorie", der er noch bis 1909 acht Ergänzungen hinzu­ fügte. Hermann Minkowski, bei dem Einstein in Zürich studiert hatte, gab der Theorie eine mathematische Einkleidung indem er den drei Dimensionen des Raumes die Zeit als vierte hinzugab. Die Lor­ entz-Kontraktion war und ist noch heute das feste Standbein der Speziellen Relativitätstheorie von Einstein. Und 1908 daraufhin angesprochen, antwortete Einstein einfach: es bedurfte nur der Er­ kenntnis, daß man eine von Lorentz eingeführte Hilfsgröße, welche er Ortszeit nannte, als Zeit schlechthin definieren kann. Ebenso war Michelson′s These der unveränderbaren Lichtgeschwindigkeit von Einstein übernommen worden und mit dem Prädikat "größten" versehen worden, d. h. es gibt keine größere als die Lichtausbreitungsge­ schwindigkeit. Michelson erhielt den Nobelpreis 1907 für seine Ar­ beiten über die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichtes. Einstein seinerseits erhielt im Jahre 1921 den Nobelpreis für die Entdec­ kung des Gesetzes des photoelektrischen Effektes und nicht für seine Relativitätstheorie.

Die Formeln für den Michelson′schen Effekt sind folgende:

wenn Ausbreitungs- und Bewegungsgeschwindigkeiten in dieselbe Richtung gehen.

wenn Ausbreitungs- und Bewegungsgeschwindigkeiten einander entgegengesetzt sind.
Wobei:
W die zurückgelegte Weglänge der elektromagnetischen Welle zwischen Sender und Empfänger ist.
A der Abstand zwischen Sender und Empfänger oder Länge des Ausbreitungsweges.
G die Ausbreitungsgeschwindigkeit der elektromagnetischen Welle mit fast genau 300 000 km/sec in Luft oder Vakuum.
g die Bewegungsgeschwindigkeit der Erde in der Galaxie Milchstraße mit fast genau 300 km/sec.

Macht man nun den Abstand A in seinem Mittelpunkt drehbar und nimmt an, daß sich seine Drehebene in der Bewegungsrichtung liegt, und weiter, daß der Durchmesser des Drehkreises von 180° nach 360° bzw. 0° in die Bewegungsrichtung zeigt, dann wird, wenn der Ab­ stand A in diese Stellung kommt, d. h. wenn sein Sender sich in 180° und sein Empfänger in 360° bzw. 0° befindet, die obige Formel ihre Wirksamkeit haben. Dreht man den Abstand A weiter um 180° und kommt sein Sender in die Stellung 360° bzw. 0° und sein Empfänger in 180°, dann wird die untere Formel wirksam geworden sein. Bei weiteren Drehungen wird sich das Spiel wiederholen.

Wenn wir nun in den folgenden Betrachtungen mit Zahlen arbeiten wollen, die fast immer mit Zeit (Sekunden) verbunden sind, müssen wir auch die Drehung des Abstandes A mit der Zeit koppeln: es soll eine volle Umdrehung in zwei Sekunden erfolgen, so daß eine halbe Umdrehung in einer Sekunde stattfindet.

Es hat sich also die zurückgelegte Weglänge W, vom Empfänger aus gesehen, bei Drehung von 270° bis 360° bzw. 0° um 1,8 mm verlän­ gert, um dann wieder bei weiterer Drehung bei 90° auf die normale Länge zu fallen. Bei weiterer Drehung auf 180° wird sich die zu­ rückgelegte Weglänge W der ausgesendeten Welle um 1,8 mm verkür­ zen, um dann bei weiterer Drehung bei 270° wieder auf die normale Länge zu steigen.

Um zu wissen, um wieviel Grad die Phase der elektromagnetischen Welle verschoben wurde, müssen wir deren Wellenlänge einsetzen, hier z. B. 108 mm. Eine Welle hat 360° Phasen, also sind +1,8 mm von 108 mm der sechzigste Teil und ebenso von 360° der sechzigste Teil gleich 6° im plus. -1,8 mm von 108 mm sind dann der sechzig­ ste Teil und ebenso von 360° der sechzigste Teil gleich 6° im mi­ nus. Damit haben wir eine Phasenverschiebung von +6° zu -6°. In den folgenden Betrachtungen wollen wir nun bei einer Phasenver­ schiebung -6° zu +6° von 0° zu +12° sprechen, das vereinfacht un­ ser Denken. Wenn also bei einer Drehung des Abstandes A mit seiner Senderseite von 360° bzw. 0° nach 180° dreht, erhalten wir eine Zunahme der Phase um 12° und dann wird die Richtung der Erdbewe­ gung von 180° nach 360° bzw. 0° gehen.

Montiert man nun diese rotierende Abstandsstrecke A mit dem Sender und Empfänger in eine Kardan-Aufhängung, so daß man nun in alle Richtungen die Maxima der Phasenverschiebungen aufsuchen kann, wird man damit auch größere Phasenverschiebungen (oder auch klei­ nere) als in unserem obigen Beispiel von 300 km/sec empfangen kön­ nen.

Die Richtungsbestimmung ist in diesem Teil des Verfahrens nicht sehr genau, reicht aber aus, um die Seitenbestimmung (ob oben oder unten, ob rechts oder links) richtig zu erhalten. Die beste Rich­ tungsbestimmung bekommt man dann folgendermaßen: man dreht die Achse der rotierenden Abstandsstrecke A in die gefundene Richtung der Erdbewegung und korrigiert die noch auftretenden geringen Pha­ senveränderungen auf Nullveränderung während einer vollen Umdre­ hung, so daß jetzt bei dauernder Rotation sich keine Phasen­ veränderungen mehr zeigen. Nach dieser Einstellung wird die Achse der rotierenden Abstandsstrecke A genau in die Richtung der Erdbe­ wegung zeigen, wobei die vorher vorgenommene Seitenbestimmung hin­ zukommt.

Bis jetzt haben wir so getan, als ob wir die auftretenden Phasen­ veränderungen wahrnehmen könnten. Aber jetzt soll gezeigt werden, wie man diese real machen kann. Es ist so wie beim Michelson′schen Versuch, der seinen Lichtstrahl durch einen halbdurchlässigen Spiegel in zwei gleiche Teile spaltete. Man nimmt den halben Teil der Energie vom Sender und sendet ihn parallel zum bisher gesende­ ten Wellenstrahl als Zwilling auf der Abstandsstrecke A. Er muß dann von einem zweiten Empfänger aufgenommen werden. Wegen der guten Separierung der beiden Strahlen müssen sie auf ihrem Weg vom Sender zu den Empfängern gut voneinander abgeschirmt sein.

Während der erste Strahl durch das Dielektrikum Luft mit der Di­ elektrizitätskonstante 1 läuft, schicken wir den zweiten durch ein anderes Medium mit höherer Konstante, z. B. absolut reines Wasser, das eine Dielektrizitätskonstante von etwa 90 hat. Nun ist die Wurzel aus der Zahl der Dielektrizitätskonstante der Divisor für die Ausbreitungsgeschwindigkeit von elektromagnetischen Schwingun­ gen. Die Wurzel aus 90 ist 9,487 oder aufgerundet 10. Das heißt, daß die Ausbreitungsgeschwindigkeit beim zweiten Zwillingsstrahl nur noch 30 000 km/sec ist. Diesen Wert in die Formeln der obigen Rechnungen des Michelson′schen Effekts eingesetzt, ergibt diesmal eine Weglängenverlängerung W von 36 mm. Und umgerechnet in Phasen­ verschiebung 120°.

Um die Ablesemöglichkeit auf das erforderliche Maß zu bringen (etwa 6000° bis über 10 000° Phasenverschiebung pro halben Um­ lauf), wird eine Frequenzvervielfachung durchgeführt.

Zuerst transponieren wir beide Zwillingswellen von 108 mm, und zwar getrennt, vermittels einer Überlagerung einer einzigen Hilfsfrequenz und anschließender Gleichrichtung in zwei neue Zwillingswellen von je 100 m = 3 000 000 Hz = 3 MHz. Bei jeder Transponierung wird die vorhandene Phasenverschiebung weiterge­ geben an die resultierende Frequenz ohne Veränderung. Wir haben jetzt also zwei Zwillingswellen, von denen die eine 3 MHz plus 0° bis 12° und die andere 3 MHz plus 0° bis 120° Phasenverschiebung hat.

Nach einer weiteren Transponierung beider 3 MHz-Schwingungen, aber getrennt voneinander auf 1500 Hz, setzt eine Frequenzvervielfa­ chung ein, die aus 7 Verdopplungsstufen = 128fache Vergrößerung der Frequenz bestehen soll, so daß wir jetzt zwei Zwillingswellen haben:
1500 Hz + 0° bis 12° · 128 = 192 000 Hz + 0° bis 1536°
1500 Hz + 0° bis 120° · 128 = 192 000 Hz + 0° bis 15 360°.
Bei Frequenzvervielfachung wird auch die Phasenverschiebung mit­ vervielfacht.

Rechnet man die Phasenverschiebung in Hertz um, so ergibt:
1536° : 360° = 4,26 Hz und 15 360° : 360° = 42,6 Hz.

Dann ist die für den Meßvorgang zu Verfügung stehende Frequenz:
42,6 Hz - 4,26 Hz = 38,4 Hz,
da beide von 0 Hz an größer werden, also beide in dieselbe Rich­ tung gehen, müssen sie voneinander abgezogen werden.

Am einfachsten erhält man diese 38,4 Hz wenn man die beiden Lang­ wellen einander überlagert und die dann entstehenden Schwebungen gleichrichtet:
192 042,6 Hz - 192 004,26 Hz = 38,4 Hz.

In einer Kathodenstrahlröhre mit zusätzlicher radialer Ablenkung kann man den Kathodenstrahl über die normale vertikale und hori­ zontale Ablenkung mit der Rotationsfrequenz der drehenden Ab­ standsstrecke A kreisen lassen und gibt auf den zusätzlichen Ab­ lenkkegel diese 38,4 Hz Spannung, so daß sich der Kreis des Katho­ denstrahls auf dem Bildschirm verformt von 0° an radial schwin­ gend, zuerst langsam, immer schneller werdend und bei 90° sein Ma­ ximum erreichend, um dann wieder langsam Null zu werden bei 180° der Rotation. Dasselbe wiederholt sich von 180° bis 270° zu einem gleichen Maximum und geht zurück auf Null bei 360° bzw. 0°. Nach Eichung des rotierenden Kathodenstrahls mit der geometrischen Mitte zwischen den beiden Empfangsantennen der Abstandsstrecke A kann diese Ablesung den Anforderungen der Praxis genügen.

Und wie soll es in der Praxis aussehen: von der Montage der rotie­ renden Abstandsstrecke A in eine Kardan-Aufhängung wollen, ja müs­ sen wir abgehen, um uns den in der Astronomie üblichen Meßwerten anzupassen. Das geschieht am besten für den Aufbau so, daß wir die in der Astronomie benutzten Teleskopaufbauten auch benutzen und somit die Meßwerte in gleichen Größen erhalten. Das Teleskop kann um eine lotrechte Achse gedreht werden und diese Achse geht (natürlich nur gedacht) durch den Mittelpunkt des Fernrohres. Der Drehwinkel, den man auf der Skala feststellen kann für ein beob­ achtetes Gestirn, ist auf den Punkt 0° der Skala im Ortsmeridian geeicht und er heißt Azimut. Das Teleskop ist aber auch noch um eine waagerechte Achse drehbar und diese Achse geht auch (natürlich nur gedacht) durch den Mittelpunkt des Fernrohres. Der Drehwinkel, den man auf dieser Skala für ein beobachtetes Gestirn feststellen kann, ist auf den Punkt 0° dieser Skala in waagerech­ ter Richtung auf den Horizont geeicht und geht vom Azimut als so­ genannter Höhenkreis durch den Zenit und den Nadir des Beobachtungsortes.

Wenn wir nun das astronomische Fernrohr durch unsere rotierende Abstandsstrecke A derartig ersetzen, daß ihre Rotationsebene in die waagerechte Drehachse und in die Längsachse des Fernrohres fällt, können wir schon den ersten Versuch der Bestimmung der Erd­ bewegung in Geschwindigkeit und in Richtung mit astronomisch genormten Werten vornehmen. Die lotrechte Drehachse wird auf 0° (Azimut 0°), die waagerechte Drehachse auf 0° (Höhenkreis 0°) und die Abstandsstrecke A mit ihrer Richtung Sender zu den Empfängern in dieselbe Richtung des Fernrohres vom Okular zum Objektiv ge­ setzt. Dabei muß dann auf dem Schirm der Kathodenstrahlröhre der Strahl auf 0° stehen.

Wenn jetzt die Erdbewegung schräg einfällt und die Abstandsstrecke A rotiert, werden sich auf dem Schirm der Kathodenstrahlröhre zwei Minima und quer dazu zwei Maxima gegenüberstehen, die allerdings, bedingt durch die schräg einfallende Bewegung nicht sehr ausge­ prägt sind in ihrer Frequenz. Die Verbindungsgerade zwischen den beiden Mittelpunkten der Minima ist die Bewegungsrichtung und muß jetzt auf die 0° Marke des Leuchtschirms gebracht werden durch Drehung der lotrechten Achse. Wird nun die waagerechte Achse in die Richtung gedreht, wo eine Zunahme der Anzahl der Schwingungen erfolgt, so können wir die Drehung bis zum Maximum gehen lassen. Durch Auszählen der halben Anzahl der gesamten Schwingungen auf dem Schirm erhalten wir durch Zurückrechnen die Geschwindigkeit und durch Ablesen der Drehungswinkel, bei der lotrechten Achse den Azimut und bei der waagerechten den Höhenkreiswinkel, die Rich­ tung.

Weiter soll nun das Verfahren für die Seitenbestimmung beschrieben werden: je einen Abzweig der Frequenzen
192 000 Hz + 0° bis 15 360°
192 000 Hz + 0° bis 1536°
transponieren wir durch Überlagerung mit der Frequenz
190 000 Hz
und nachfolgender Gleichrichtung der erhaltenen Schwebungen in die beiden Audiofrequenzen
2000 Hz + 0° bis 15 360° und
2000 Hz + 0° bis 1536°.

Dann erzeugen wir von diesen beiden Audiofrequenzen je eine um 90° phasenverschobene und leiten diese vier Frequenzen in einen Pha­ senmotor.

Der Phasenmotor hat im Ständer zwei sich gegenüberliegende Pole und noch einmal 90° verdrehte zwei sich gegenüberliegende. Jeder Pol hat eine Wicklung und je zwei gegenüberliegende sind hinter­ einandergeschaltet, so daß ein Paar für die Frequenz
2000 Hz + 0° bis 15 360°
ist und das andere 90° verdrehte Paar für dieselbe, aber 90° pha­ senverschobene Frequenz ist. Es wird sich nun in dem Ständer bzw. Stator ein magnetisches Drehfeld bilden, das in der Sekunde 2000 Hz + 0° bis 15 360° Umdrehungen
macht. Der Rotor ist ebenso aufgebaut und es wird in seine beiden entsprechenden Wicklungen die Frequenzen
2000 Hz + 0° bis 1536°
und ihre um 90° phasenversetzte geleitet. Das hat zur Folge, daß das gebildete magnetische Drehfeld in einer Sekunde
2000 Hz + 0° bis 1536° Umdrehungen
im Rotor macht. Haben die beiden Frequenzen 0° Phasenverschiebung, so werden sich die beiden Drehfelder mit ihren magnetischen Gegen- Polen einander einhaken und der Rotor bleibt fest stehen. Bei falscher Polung der Stator- und der Rotorwicklung ist der Rotor nicht fest und kann sich drehen oder drehen lassen. Verändert jetzt die 2000 Hz Frequenz im Stator ihre Phase kontinuierlich von 0° auf 15 360° und die 2000 Hz Frequenz im Rotor ebenso ihre Phase von 0° auf 1536°, so wird der Rotor
15 360° - 1536° = 13 824° : 360° = 38,4 Umdrehungen
im Richtungssinn der Drehfelder machen, wobei in der Berechnung eine Umdrehung 360° hat und das alles während einer halben Umdre­ hung der Abstandsstrecke A von 180° bis 360° bzw. 0°.

Wird nun der Phasenmotor an ein Zählwerk mit Zehntel Zählung ange­ kuppelt, so haben wir bei der Bestimmung der Erdbewegung eine große Erleichterung. Aber auch bei der Seitenbestimmung ist der Phasenmotor unentbehrlich: stellt man das Zählwerk auf 0 beim Durchgang des Abstandes A mit seiner Empfängerseite durch die 180°-Stellung, dann muß das Zählwerk hochrechnen bei Drehung von 180° nach 360°, wenn Ausbreitungs- und Erdbewegungsrichtungen übereinstimmen. Im anderen Falle bei Ab-Rechnung sind Ausbreitungs- und Erdbewegungsrichtung entgegengesetzt. Der Phasenmotor wird außerdem sehr nützlich sein bei einer späteren Entwicklung der automatischen Nachsteuerung.

Für eine höchstgenaue Richtungsbestimmung wurde schon weiter oben ein Vorschlag gemacht. Er soll jetzt genauer beschrieben werden: nach Bestimmung der Richtung durch das Auffinden des größten Maxi­ mums durch das Zählwerk und nach der Seitenbestimmung, drehen wir die waagerechte Achse um plus bzw. minus 90° und versuchen nun auf dem Leuchtschirm der Kathodenstrahlröhre den jetzt auftretenden fast runden Kreis in seinen Ausbuchtungen und Beulen zu glätten, indem wir lotrecht und waagerecht nachsteuern bis der Kreis glatt ist. Dann ist der Azimut jetzt ganz genau und der Höhenkreiswinkel minus bzw. plus 90° (jetzt umgekehrt), ebenfalls so genau.

Für die Stabilisierung der gesamten Apparatur wird zum Schluß noch empfohlen, bei jeder Transponierung eine Automatische Frequenzkon­ trolle (AFC) einzubauen, die über einen Phasendetektor die Hilfs­ frequenz nachstellt, damit derartig die resultierende Transponie­ rungsfrequenz mit ihrem Wert dem gesamten Prozeß entspricht.

Claims (13)

1. Verfahren zum Messen der Geschwindigkeit und Richtung der Erdbewegung im interstellaren Raum, derartig gekennzeichnet, daß der dabei benutzte Michelson′sche Effekt von Radiowellen erzeugt wird.

2. Nach Anspruch 1 derartig gekennzeichnet, daß die benutzte ein­ zeige Radiowelle in zwei Kanäle geteilt wird, wovon der eine Ka­ nal in seinem Ausbreitungsweg einen größeren Kapazitätskoef­ fizienten vorfindet als der im anderen Kanal und daß beide Kanäle dicht nebeneinander liegen und gedreht werden um eine Achse, die in der Mitte der beiden Kanäle senkrecht auf ihnen steht.

3. Nach Anspruch 2 derartig gekennzeichnet, daß die benutzte ein­ zige Radiowelle aus einem Sender kommt, der an dem einen Ende der drehenden beiden Ausbreitungswege sich befindet und der nur reine ungedämpfte, also in der Amplitude immer gleichmäßige Wellen mit konstanten Wellenlängen in die Ausbreitungswege aus­ sendet, die von zwei Empfängern am anderen Ende der Ausbrei­ tungswege die Welle aus ihrem Weg empfangen, dann aber in eine mittlere Wellenlänge transponiert werden, derartig, daß eine und dieselbe Hilfsfrequenz jeder der beiden Wellen in ihrem Empfänger überlagert wird und die entstehenden Schwebungen gleichgerichtet und die so entstandenen Mittelwellen verstärkt werden.

4. Nach Anspruch 3 derartig gekennzeichnet, daß die dort entstan­ dene Mittelwelle wiederum transponiert wird, derartig, daß mit einer einzigen Hilfsfrequenz beide Mittelwellen getrennt über­ lagert und dann gleichgerichtet werden, so daß zwei ein und dieselbe Audio-Frequenzen entstehen und auch verstärkt werden, dann aber jede in je einem gleichen Vervielfacher in der Fre­ quenz vervielfacht wird bis zu einer Langwelle und jede dann verstärkt wird.

5. Nach Anspruch 4 und 2 derartig gekennzeichnet, daß die beiden Langwellen einander überlagert werden und dabei eine Schwebung bilden, weil nach Anspruch 2 eine der beiden Senderwellen durch ihren Weg sich ausgebreitet hat, der mit einem Medium angefüllt ist, das einen größeren Kapazitätskoeffizienten hat und damit die Senderwelle eine geringere Ausbreitungsgeschwindigkeit und letzten Endes eine größere Phasenverschiebung bei Drehung der Ausbreitungswege hat, deshalb eine Schwebung bilden, die dann gleichgerichtet wird und so eine variierende Niedrigst-Fre­ quenz bildet, deren Frequenz abhängig vom Drehwinkel der Aus­ breitungswege und der Erdgeschwindigkeit ist.

6. Nach Anspruch 5 derartig gekennzeichnet, daß die variierende Niedrigst-Frequenz in eine Kathodenstrahlröhre geleitet wird, die neben der normalen horizontalen und vertikalen Ablenkung noch eine radiale Ablenkung durch einen Ablenkkegel hat und wo­ bei die normale Ablenkung benutzt wird, um die Umdrehung der Ausbreitungswege als Kreis auf ihrem Schirm entstehen zu lassen und wobei die Niedrigst-Frequenz durch den radialen Ablenkkegel diesen Rotationskreis in die Richtung Mittelpunkt des Kreises ablenkt, so daß eine kreisförmige winkelgetreue Abbildung der Phasenverschiebungszahl der rotierenden Ausbreitungswege auf dem Bildschirm in Form zweier Hälften eines schlängelnden Krei­ ses erscheint.

7. Nach Anspruch 6 derartig gekennzeichnet, daß die rotierenden Ausbreitungswege und der Kathodenstrahl synchronisiert werden, derartig, daß die geometrische Mitte zwischen den beiden Emp­ fängerantennen und der Kathodenstrahlpunkt auf dem Bildschirm, der eine 360°-Skala trägt, synchron geeicht werden, so daß die auf dem Bildschirm erscheinenden zwei sich gegenüberliegenden Maxima der Schwingungen der Niedrigstfrequenz als Geschwindig­ keitsangabe für die Erdbewegung und weiter die zwei sich gegen­ überliegenden Minima der Niedrigstfrequenz, die quer zu den Ma­ xima, also um 90° versetzt, zu diesen liegen, als Richtung für die Erdbewegung dienen.

8. Nach Anspruch 7 derartig gekennzeichnet, daß zur Auffindung und Festlegung der Minima und Maxima der Niedrigstfrequenz auf dem Bildschirm die rotierenden Ausbreitungswege in eine Vorrichtung montiert werden wie sie bei den astronomischen Teleskopen üb­ lich ist, bei denen durch Drehen der lotrechten Achse der Vor­ richtung der Azimut und weiter durch Drehung der waagerechten Achse der Höhenkreiswinkel festgestellt werden kann, wobei das astronomische Fernrohr durch die rotierenden Ausbreitungswege ersetzt werden soll, so daß die Rotationsebene mit der opti­ schen Achse des Fernrohres und mit der waagerechten Dre­ hungsachse zusammen fallen soll.

9. Nach Anspruch 7 und 8 derartig gekennzeichnet, daß eines der beim Beginn der Richtungs- und Geschwindigkeitsbestimmung er­ scheinenden Minima durch Drehen der lotrechten Achse mit seiner Mitte auf 0° des Bildschirmes gebracht wird und dann der Azimut abgelesen wird und dann durch Drehen der waagerechten Achse das höchstmögliche Maximum durch Abzählen eingestellt und dann der Höhenkreiswinkel abgelesen wird und so die Richtung der Erdbe­ wegung gefunden und die Geschwindigkeit durch Zurückrechnen von einem Höchstmaximum erhalten wird.

10. Nach Anspruch 9 und 4 derartig gekennzeichnet, daß das Abzählen des Höchstmaximum maschinell und dadurch schneller und sicherer erfolgen soll durch den Einsatz eines Zählwerks mit Zehntelan­ zeige nach dem Komma, derartig, daß das Zählwerk durch einen Phasenmotor angetrieben wird, der gespeist wird durch zwei gleiche und ihren beiden ihnen zugehörenden um 90° phasenver­ schobenen Audio-Frequenzen wobei die zwei ersten durch eine Transponierung der im Anspruch 4 genannten beiden Langwellen in die genannten Audiofrequenzen geschieht und dann von diesen die zugehörenden 90° phasenverschobenen erzeugt werden.

11. Nach Anspruch 9 und 10 derartig gekennzeichnet, daß mit dem Zählwerk und seinem Phasenmotor die Seitenbestimmung durchge­ führt wird, und zwar derartig, daß das Zählwerk auf null stehen muß, wenn der Strahl der Kathohenstrahlröhre auf ihrer Skala auf 180° sich befindet, dann wird eine Hochzählung des Zähl­ werks bei Weitergehen des Strahls von 180° zu 360° bzw. 0° hin bedeuten, daß die Fortpflanzungsbewegung und die Erdbewegung dieselbe Richtung gehen, bei einer Abwärtszählung dagegen bei den Bewegungen das Gegenteil, wobei Abwärtszählung bedeu­ tet, daß das Zählwerk von 0 auf 999,9 und weiter abwärts springt.

12. Nach Anspruch 7, 8 und 9 derartig gekennzeichnet, daß die Rich­ tungsbestimmung mit höchster Genauigkeit derartig gefunden wird, daß nach Auffinden der Richtung und der Seitenbestimmung die waagerechte Achse für den Höhenkreiswinkel um 90° nach plus oder nach minus gedreht wird, und daß der auf dem Leuchtschirm der Kathodenstrahlröhre nun erscheinende fast runde Kreis in seinen Ausbuchtungen und Beulen geglättet wird, indem der Azi­ mutwinkel und der Höhenkreiswinkel nachgesteuert wird, bis der Kreis glatt und rund ist, so daß dann der Azimut jetzt ganz ge­ nau und der Höhenkreiswinkel durch Abziehen oder Zuzählen von 90°, das Gegenteil also wie vorher, auch jetzt ganz genau ist.

13. Nach Anspruch 3, 4 und 10 derartig gekennzeichnet, daß für eine Stabilisierung der gesamten Apparatur bei jeder Transponierung eine Automatische Frequenzkontrolle (AFC) benutzt wird, damit derartig die resultierende Frequenz der Transponierung in ihrem Wert dem Gesamtprozeß entspricht.