Zum Michelson-Morley-Experiment

(Neufassung vom 23. Juni 2013)

Das Michelson-Morley-Experiment wird von vielen Theoretikern als konstitutiv für die Relativitätstheorie angesehen. (Einstein selbst hat dies bestritten). Dieses Experiment zeigt, dass auf der Erdoberfläche die Lichtgeschwindigkeit in jeder Richtung annähernd gleich ist, jedenfalls nicht so unterschiedlich, wie bei einem stationären Äther zu erwarten wäre. Die Lichtgeschwindigkeit wird dabei nicht gemessen. Das Experiment ist eine Sache, die unterschiedlichen Folgerungen, die insbesondere Michelson, Lorentz und Einstein daraus gezogen haben, sind eine andere Sache. Der Fall ist ein anschauliches Beispiel dafür, dass ein Versuchsergebnis unterschiedlich gedeutet werden kann. Nobelpreisträger Michelson sagte zu Einstein, er hätte den Versuch nicht unternommen, wenn er gewusst hätte, dass daraus das "Monster" Relativitätstheorie gemacht wird.  Einsteins Folgerungen enthalten mehr, als der Versuch zeigt. Denn Einstein schließt daraus, dass in jedem Inertialsystem die Lichtgeschwindigkeit mit dem Wert c gemessen wird, gleich wo die Lichtquelle sitzt oder
wie sie bewegt wird.

Michelson versuchte das Ergebnis mit einer teilweisen Mitführung des Äthers durch die Erde zu erklären. Fitzgerald und Lorentz hatten die Idee der Längenkontraktion bewegter Gegenstände. Auch andere Deutungen sind theoretisch möglich. Betrachtet man jeden Spiegel im Michelson-Interferometer als Lichtquelle, so zeigt das Experiment, dass die Lichtgeschwindigkeit durch die Bewegung der Lichtquelle beeinflusst wird.

Seit Karl Popper, einem der bedeutendsten Philosophen des 20. Jahrhunderts, ist weithin akzeptiert, dass nicht die Erfahrung zur Theorie führt, sondern dass die Deutung einer Beobachtung, ja die  Beobachtung selbst, von der Theorie abhängt (Karl Popper: Logik der Forschung, 1934). Viele Physiker scheinen sich schwer zu tun mit dieser Einsicht, weil die Physik Jahrhunderte lang im Ruf einer reinen Erfahrungswissenschaft stand. Man findet für beinahe jede Theorie ein Phänomen in der Natur, welches man als Bestätigung der Theorie deuten kann. Die Theorie, wonach die Erde der Mittelpunkt ist, um den sich Sonne und Sternenhimmel drehen, wird täglich durch den naiven Blick zum Himmel bestätigt. Historische Beispiele dieser Art gibt es genug. Trotzdem scheinen es viele Physiker für einen sicheren Beweis zu halten, wenn eine mehrdeutige Beobachtung ausschließlich im Sinne einer bestimmten Theorie gedeutet wird. Ein Beispiel dafür: Nur wer bereits davon ausgeht, dass die Zeit in bewegten Systemen langsamer verläuft, kann das beobachtete Auftreten von Myonen an der Erdoberfläche als Bestätigung der Relativitätstheorie deuten. 

Gleich wie man den MM-Versuch deutet, er sagt etwas über die Ausbreitung des Lichtes  an der Erdoberfläche aus, aber nicht das Geringste über die Relativität der Zeit. Durch das Experiment sieht  Einstein sein Postulat des speziellen Relativitätsprinzips bestätigt. Zwischen diesem Prinzip und der bizarren Idee von Zeitreisen liegen mehrere gedankliche Schritte, die einer kritischen Betrachtung nicht standhalten. Anstatt nach physikalischen Gründen für die Beobachtung von Michelson und Morley zu suchen, hat sich die Wissenschaft auf die absurde Zeitmetaphysik Einsteins eingelassen.

Die Lichtgeschwindigkeit in der speziellen Relativitätstheorie/Teil 2

(Fortsetzung des Artikels vom 20. Juni 2012)

Worauf beruht also die Invarianz der Lichtgeschwindigkeit, wenn sie logisch nicht nachvollziehbar ist? Die Lichtgeschwindigkeit ist nach der Relativitätstheorie eine Naturkonstante, so kann man in den Lehrbüchern nachlesen. Der unbefangene Leser mag sich damit zufrieden geben, denn er wird nicht daran zweifeln, dass sich das Licht mit konstanter Geschwindigkeit ausbreitet. Doch dies ist nicht der Punkt. Invariante Lichtgeschwindigkeit bedeutet nicht nur konstante, von der Bewegung der Lichtquelle unabhängige Ausbreitung des Lichts. Sondern konstante Lichtgeschwindigkeit in Bezug auf jeden Beobachter, gleich ob er sich einem Lichtstrahl entgegen bewegt oder vor ihm flieht. Der nebulöse gedankliche Hintergrund dieser Spekulation dürfte in der relationalen Auffassung des Raumes liegen, aus welcher folgt, dass Bewegung mangels eines absoluten Bezugssystems stets relativ ist. Man kann jeden Beobachter als ruhend oder bewegt bezeichnen, denn sein absoluter Bewegungszustand ist nicht feststellbar.  

Ein entscheidendes Argument gegen die invariante Lichtgeschwindigkeit liegt darin, dass die Aussendung eines Lichtimpulses ein Ereignis zu einer bestimmten Zeit an einem bestimmten Ort ist. Dieser Ort ist nach dem Prinzip der konstanten Lichtgeschwindigkeit von der Bewegung der Lichtquelle unabhängig. Dieser Ort (in der Abbildung vom 20. Juni ist dies der Punkt A) ist der maßgebliche Bezugspunkt  für die Ausbreitungsgeschwindigkeit c des Lichtes. Aber auch jeder Beobachter hat in Bezug auf den Punkt A eine  individuelle Relativgeschwindigkeit v. Aus dem gemeinsamen Bezugspunkt folgt, dass sich die die  Relativgeschwindigkeit zwischen Licht und Beobachter aus c und v zusammensetzt. Vektoriell ausgedrückt, beträgt die Relativgeschwindigkeit zwischen Licht und Beobachter stets c + v.  Womit auf mathematische  Weise der ohnehin einleuchtende Sachverhalt erklärt ist, dass die Lichtgeschwindigkeit für unterschiedlich bewegte Beobachter nicht den selben Wert c haben kann. Daher ist die invariante Lichtgeschwindigkeit als Naturkonstante eine unlogische metaphysische Spekulation.

Ernst Mach hat über die absolute Zeit das Urteil gefällt: eine metaphysische Idee und daher aus der Physik zu entfernen. Dies war ein Fehlurteil, wie ich an anderer Stelle aufzeige ("Was ist Zeit?" unter www.zeitrelationen. blogspot.com ). Die absolute Zeit ist zwar nicht in der Natur nachweisbar, aber sie ist als logisch-mathematisches Prinzip nicht widerlegbar, und sie ist das Prinzip, auf dem jede Zeitmessung beruht. Albert Einstein hat 1905 das Fehlurteil über die absolute Zeit mit Hilfe der speziellen Relativitätstheorie vollstreckt. An die Stelle der vermeintlich metaphysischen absoluten Zeit setzte er eine wahrhaft metaphysische Spekulation, nämlich die Naturkonstante der invarianten Lichtgeschwindigkeit.

Doch weder durch das Fallbeil der angeblichen Naturkonstanten noch durch das Gift der sensualistischen Zeitdefinition (wonach die Gleichzeitigkeit von Ereignissen kein objektiver Sachverhalt ist, sondern angeblich von individuellen und daher relativen Sinneseindrücken abhängt) kann die Verstandeswahrheit*) ausgelöscht werden. Genau wie die absolute Zeit ist die gerade Linie in der Natur nicht nachweisbar, jedoch als logisch-mathematisches Prinzip nicht zu widerlegen und in der Technik unverzichtbar. Wer käme auf die verrückte Idee, die Gerade zu leugnen und ihre Entfernung aus der Physik zu verlangen? In Bezug auf die Zeit  wie in Bezug auf die gerade Linie (nicht aber in Bezug auf den Raum) ist unser Verstand das absolute Bezugssystem! Die Physik ist nicht nur auf  die Mathematik angewiesen, sondern ebenso auf einige allgemeine logisch-mathematische Prinzipien. Solche Prinzipien sind die gerade Linie und die absolute Zeit. Was nicht heißt, dass es keine gekrümmten Linien und keine Zeit im Sinne der relationistischen Auffassung gibt.

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*) Verstandeswahrheiten sind nach G.W.Leibniz sichere Wahrheiten, die aus der Verstandeslogik kommen, im Gegensatz zu den Erfahrungswahrheiten.  Siehe dazu auch meinen  Aufsatz "Rationalismus und Empirismus" unter www.zeitrelationen.blogspot.com

Die Lichtgeschwindigkeit in der speziellen Relativitätstheorie

(ergänzt am 25. August 2012)


Zwei Postulate setzt Einstein an den Beginn der speziellen Relativitätstheorie:

- das spezielle Relativitätsprinzip. Es erweitert das seit Galilei geltende klassische Relativitätsprinzip auch auf Lichtstrahlen. Das klassische Relativitätsprinzip gilt nur für mechanische Vorgänge. Diese unterscheiden sich nicht in unterschiedlich bewegten Systemen.

- das Prinzip der konstanten Lichtgeschwindigkeit. Das Licht breitet sich mit einer vom Bewegungszustand der Lichtquelle unabhängigen Geschwindigkeit c aus.

Beide Voraussetzungen sind scheinbar miteinander unverträglich, wie Einstein selbst einräumt. Das von einer Lichtquelle im bewegten System abgegebene Licht soll im bewegten System mitgeführt werden (spezielles Relativitätsprinzip), zugleich soll aber die Lichtgeschwindigkeit c durch den Bewegungszustand der Lichtquelle nicht  beeinflusst werden (Prinzip der konstanten Lichtgeschwindigkeit). Daraus folgt der Widerspruch zwischen den beiden  Prinzipien.

Den Widerspruch versucht Einstein aufzulösen, indem er die Lichtgeschwindigkeit zu einer invarianten Naturkonstanten erklärt. Doch der Widerspruch zwischen Relativitätsprinzip und Prinzip der konstanten Lichtgeschwindigkeit wird nicht aufgelöst. Das Licht soll nun, unabhängig davon wo die Lichtquelle sitzt, in jedem Inertialsystem die selbe Geschwindigkeit c haben. Anders gesagt, jeder Beobachter, gleich ob er sich auf einen Lichtstrahl zu bewegt oder vor ihm flieht, soll die Lichtgeschwindigkeit mit dem selben Wert c messen.

Der Widerspruch  wird auch im geometrischen Gedankenexperiment sichtbar. Das Licht hat im bewegten System die Geschwindigkeit c. Für einen außerhalb des Systems relativ ruhenden Beobachter (genauer: für einen anders bewegten Beobachter) hat dieses Licht nach den Regeln der Logik die Geschwindigkeit c + v (bzw. c - v je nach Richtung des Lichtstrahls).  Doch nach Einstein soll das Licht, das im bewegten System die Geschwindigkeit c hat, auch aus Sicht des ruhenden Beobachters die Geschwindigkeit c haben. Die theoretische Physik stört sich daran nicht, weil Einstein die Invarianz der Lichtgeschwindigkeit  bewusst voraussetzt. Wenn man allerdings logische Widersprüche, die auch mathematisch zu Tage treten, in einer physikalischen Theorie als zulässig akzeptiert, dann ist der Beliebigkeit Tür und Tor geöffnet.

Auf der invarianten Lichtgeschwindigkeit, die für jeden Beobachter den selben Wert c hat, beruht  unmittelbar die relativistische Zeitdilatation. Ein in einem bewegten System von A nach B laufender Lichtimpuls legt aus Sicht eines ruhenden Beobachters eine längere Strecke AC zurück, daher trifft der Lichtimpuls in C später ein als in B.  Dabei wird allerdings übersehen, dass  die Punkte B und C  identisch sind. Denn während der Lichtstrahl von A nach B läuft, bewegt sich B nach C. Es ist aber logisch und tatsächlich ausgeschlossen, dass ein Lichtimpuls in einem bestimmten Raumpunkt B (den der ruhende Beobachter C nennt) zu unterschiedlichen Zeiten eintrifft.

Abbildung zum vorherigen Absatz:

A________________B.............C



Das bewegte System ist ein Stab der Länge A-B. In A sitzt eine Lichtquelle, in B ein Empfänger (oder Beobachter). Ein Lichtimpuls mit der Geschwindigkeit c wird von A nach B geschickt. In der selben Zeitspanne, in welcher der Lichtimpuls von A nach B läuft, bewegt sich der Stab in Längsrichtung mit der Geschwindigkeit v, so dass B nach C gelangt. Aus Sicht eines ruhenden Beobachters legt das Licht im Stab die längere Strecke A-C zurück, jedoch mit der Geschwindigkeit c + v. Dadurch kommt der Lichtimpuls für beide Beobachter zur selben Zeit im Punkt C an, der nun identisch ist mit B. Daher gibt es die relativistische Zeitdilatation nicht.

Das selbe gilt, wenn sich der Lichtstrahl in eine beliebige andere Richtung ausbreitet. In den Lehrbüchern  lässt man den Lichtstrahl meist senkrecht zur Bewegungsrichtung des bewegten Systems laufen, so dass das bekannte rechtwinklige Dreieck ABC entsteht, aus welchem der Lorentzfaktor hergeleitet wird. Allerdings wird in dem oben abgebildeten Fall, in welchem der Lichtstrahl und das bewegte System die selbe Richtung haben, deutlicher sichtbar, dass die Bewegung A - B aus Sicht des ruhenden Beobachters eine Bewegung A - C ist und dass der Lichtimpuls aus Sicht des ruhenden Beobachters die Geschwindigkeit c + v hat. Noch anschaulicher ist es, den in Einsteins Gedankenexperimenten häufigen Eisenbahnzug zu verwenden und sich den Lichtimpuls als Billardkugel im Zug vorzustellen. Gleich wie sich die Kugel (der Lichtimpuls) im Zug bewegt, ihre Geschwindigkeit gegenüber dem am Bahndamm stehenden Beobachter setzt sich stets zusammen aus ihrer im Zug gemessenen Geschwindigkeit und der Geschwindigkeit des Zuges.

Das relativistische Gegenargument lautet: Die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Licht kann nicht größer sein als c, weshalb der Lichtstrahl für die längere Strecke A-C  länger braucht als für die Strecke A-B. Abgesehen von der oben beschriebenen logischen Widerlegung ist dieses Argument auch aus einem zweiten Grund falsch. Wenn die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Licht nicht größer als c sein kann, dann haben zwei sich begegnende Lichtstrahlen relativ zueinander die Geschwindigkeit  2 c . Die Lichtgeschwindigkeit ist daher nicht auf c, sondern auf 2 c  begrenzt.*)

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*) Das selbe gilt für zwei Lichtstrahlen, die sich entgegengesetzt ausbreiten. Dass die Lichtgeschwindigkeit logischerweise auf 2 c begrenzt ist, habe ich bei dem irischen Physiker A.G. Kelly gelesen. Bei einigem Nachdenken hätte man auf diesen selbstverständlichen Grundsatz auch selber kommen können. Max von Laue (1879 - 1960), Relativist der ersten Stunde und Förderer Einsteins, schreibt 1952, dass die Geschwindigkeit zweier Körper der Grenze 2c beliebig nahe kommen kann, nämlich dann, wenn beide fast Lichtgeschwindigkeit in entgegengesetzte Richtungen haben. Dies soll allerdings nur innerhalb des selben Inertialsystems gelten. (??)

Relativistische Zeitdilatation widerlegt?

Die Zeitdilatation kann vereinfacht an folgendem Beispiel erklärt werden. In einem bewegten System wird ein Lichtimpuls von A nach B senkrecht zur Bewegungsrichtung des Systems geschickt. Aus Sicht eines ruhenden Beobachters bewegt sich der Lichtimpuls von A nach C. Für die Strecke AC braucht der Lichtimpuls länger als für die kurze Strecke AB, woraus der Zeitunterschied zwischen dem ruhenden und dem bewegten Beobachter resultiert.

A



B       C

Im Gegensatz dazu kommt man bei logischer Betrachtung zu dem Ergebnis, dass die Beobachtungen (Sinneseindrücke) des bewegten und des ruhenden Beobachters zeitlich übereinstimmen.

In der selben Zeitspanne, während der Lichtimpuls von A nach B gelangt, bewegt sich der Punkt B des bewegten Systems nach C. Beim Eintreffen des Lichtimpulses sind die Punkte B und C identisch. Es ist logisch und tatsächlich ausgeschlossen, dass ein und derselbe Lichtimpuls an einem realen Ort B zu unterschiedlichen Zeitpunkten eintrifft. Daher gibt es keine Zeitdilatation.

Da die Zeitdilatation unmittelbar aus dem Prinzip der invarianten Lichtgeschwindigkeit folgt (sowohl der ruhende als auch der bewegte Beobachter sollen für das selbe Licht den Wert c messen), ist die Widerlegung der Zeitdilatation im Grunde eine Widerlegung der Invarianz der Lichtgeschwindigkeit.

Der ruhende Beobachter beobachtet während der gesamten Beobachtungsperiode den selben realen Punkt B wie der bewegte Beobachter - mit dem Unterschied, dass sich dieser Punkt aus Sicht des ruhenden Beobachters bewegt und er ihn mit C benennt. Noch deutlicher wird dies, wenn man in Punkt B des bewegten Systems gedanklich einen Lichtdetektor (Photosensor) anbringt. Beim Eintreffen des Lichtimpulses sind B und C deckungsgleich, so dass der Lichtdetektor das Eintreffen des Lichtimpulses für alle Beobachter zum selben Zeitpunkt anzeigt.

Zwar trifft die Überlegung zu, dass die Bewegung A-B aus Sicht des ruhenden Beobachters eine Bewegung A-C darstellt, doch die Zeitdauer des Vorgangs bleibt für jeden Beobachter die selbe. Ersetzt man den Lichtimpuls gedanklich durch eine Billardkugel, so ist von vornherein klar und durch einen einfachen Versuch nachweisbar, dass die Kugel  in B und C gleichzeitig eintrifft, weil B und C deckungsgleich sind. Im Falle der Billardkugel weiß man mit Sicherheit, dass sie nicht gleichzeitig an unterschiedlichen Orten sein kann. Ebenso wenig kann sie an einem bestimmten Ort zu unterschiedlichen Zeitpunkten eintreffen. Man wird einwenden, dass Licht etwas anderes ist als ein fester Körper. Doch wie sollte ein Lichtimpuls, gleich ob man ihn als Teilchen (Photon) oder Welle auffasst, die spukhafte  Eigenschaft haben, an einem bestimmten Ort zu unterschiedlichen Zeiten einzutreffen? Quantentheoretische Überlegungen scheiden hier aus, denn die Systeme der Relativitätstheorie haben eine noch oben unbegrenzte Größenordnung, so dass aus der Lichtlaufzeit innerhalb eines Systems physikalische Folgerungen gezogen werden können.

Ein vom Punkt A ausgehender Lichtimpuls trifft an einer mit "B" markierten Stelle eines bewegten Systems (gleich ob Eisenbahn, Raumschiff oder abstraktes Koordinatensystem) zu einem bestimmten Zeitpunkt ein. Das Eintreffen des Lichtimpulses in B ist ein nach Ort und Zeit eindeutig bestimmtes Ereignis. Dass sich B aus Sicht des ruhenden Beobachters nach C bewegt, ändert nichts an diesem realen Sachverhalt, weil C zu jeder Zeit identisch mit B ist. Daher gibt es die relativistische Zeitdilatation nicht.

Nach Einsteins speziellem Relativitätsprinzip gilt für Lichtstrahlen dasselbe wie für feste Körper: Sie werden im bewegten System mitgeführt. Daraus folgt, dass dem Lichtimpuls die Geschwindigkeit des bewegten Systems vermittelt wird. Daraus folgt weiter, dass der Lichtimpuls - vergleichbar einer Billardkugel in der Eisenbahn - für alle Beobachter in Punkt B, der identisch ist mit Punkt C, gleichzeitig eintrifft. Wenn der  Einwand zutrifft, dass Licht nicht schneller als c sein kann, dann ist das spezielle Relativitätsprinzip entkräftet. Entweder das Licht wird im bewegten System mitgeführt und hat in diesem System die Geschwindigkeit c (spezielles Relativitätsprinzip),  woraus von außen betrachtet die Lichtgeschwindigkeit c + v resultiert. Oder die Lichtgeschwindigkeit *) ist auf c begrenzt (Prinzip der konstanten Lichtgeschwindigkeit), woraus im bewegten System eine andere Lichtgeschwindigkeit als c resultiert. Entweder - oder, aber beides zusammen geht nach den Gesetzen der Logik nicht.

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*) Wie jede Geschwindigkeit kann auch die Lichtgeschwindigkeit nur relativ zu einem Bezugssystem angegeben werden. Nach der Relativitätstheorie bezieht sich die von der Bewegung der Lichtquelle unabhängige konstante Lichtgeschwindigkeit auf den Ort (Raumpunkt), an dem das Licht emitttiert wird.

Relativitätsprinzip und Prinzip der konstanten Lichtgeschwindigkeit

(ergänzt am 8. August 2012)

Am Beginn der speziellen Relativitätstheorie postuliert Einstein zwei Voraussetzungen: das Relativitätsprinzip und das Prinzip der konstanten Lichtgeschwindigkeit. Jeder der beiden Begriffe wird in unterschiedlichen Bedeutungen verwendet, was zu Missverständnissen führen kann.

Relativitätsprinzip

1. Nach dem schon durch Newton formulierten (klassischen) Relativitätsprinzip ist es nicht möglich, durch mechanische Experimente zu unterscheiden, ob sich ein Inertialsystem (d.h. ein gleichmäßig geradlinig bewegtes System) in Ruhe oder in Bewegung befindet. Die mechanischen Gesetze sind in jedem System gleich.

2. Nach der auf  Leibniz zurückgehenden relationistischen Auffassung des Raumes gibt es keinen absoluten Raum. Daraus folgt die Relativität von Bewegung. Die Bewegung (Ortsveränderung) eines Gegenstands (allgemein: eines Systems) kann nur in Bezug auf irgendein anderes System festgestellt werden. Wenn es kein bevorzugtes, absolutes System gibt, dann ist jede Bewegung relativ.

Die Relativität von Bewegung hat faktische Grenzen. Nicht der Bahnhof bewegt sich, sondern der Zug. Denn gemeinsames Bezugssystem für Bahnhof und Zug ist in diesem Fall die Erdoberfläche. Wäre es anders, so müsste die Bewegung der Bahnhöfe zu Erdbeben führen. - Nicht die Sonne dreht sich um die Erde, wie es den Anschein hat, sondern aufgrund kosmologischer Erkenntnisse weiß man, dass es umgekehrt ist. Aus der Hierarchie der kosmischen Bewegungssysteme folgt, dass für die Bewegungen in unserem Planetensystem die Sonne das natürliche Bezugssystem ist.  

3. Das Einsteinsche Relativitätsprinzip (auch spezielles Relativitätsprinzip) erweitert das klassische Relativitätsprinzip auf alle physikalischen Vorgänge, also auch auf die optischen Gesetze. Einstein setzt voraus, dass in allen gleichmäßig-geradlinig bewegten Systemen (Inertialsystemen) die Lichtgeschwindigkeit gleich ist. Das Licht wird in jedem System sozusagen mitgeführt. Das spezielle Relativitätsprinzip ist eines der beiden Hauptpostulate der speziellen Relativitätstheorie.

4. Eine andere Bedeutung hat das Relativitätsprinzip in der allgemeinen Relativitätstheorie: beschleunigte Bezugssysteme und Inertialsysteme im Schwerefeld sind gleichberechtigt (allgemeines Relativitätsprinzip).


Prinzip der konstanten Lichtgeschwindigkeit

1. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichts ist konstant c, das heißt, die Lichtgeschwindigkeit ist unabhängig von der Bewegung der Lichtquelle. In dieser Bedeutung steht das Prinzip der konstanten Lichtgeschwindigkeit am Beginn der speziellen Relativitätstheorie. Es ist neben dem speziellen Relativätsprinzip eines der beiden Hauptpostulate der speziellen Relativitätstheorie.

2. Aus dem speziellen Relativitätsprinzip zusammen mit dem Prinzip der konstanten Lichtgeschwindigkeit konstruiert Einstein die Idee, dass die Lichtgeschwindigkeit eine invariante Naturkonstante ist. Gleich wo sich die Lichtquelle befindet, die Lichtgeschwindigkeit hat in jedem Inertialsystem die selbe Größe c, und die Lichtgeschwindigkeit hat in Bezug auf unterschiedlich bewegte Beobachter stets die selbe Größe c. Diese Vorstellung wird für die Herleitung der Lorentz-Transformation und für die Zeitdilatation in der speziellen Relativitätstheorie vorausgesetzt.

Von vielen Autoren wird die invariante Lichtgeschwindigkeit ungenau und vereinfacht als konstante Lichtgeschwindigkeit bezeichnet. Sicher ist mit der invarianten Lichtgeschwindigkeit eine feste Naturkonstante c gemeint (Nr. 2) , doch die verbale Gleichsetzung mit dem Prinzip der konstanten Lichtgeschwindigkeit (Nr. 1) verschleiert den unlogischen Inhalt der Naturkonstanten c.


Kritik der invarianten Lichtgeschwindigkeit 

1. Wenn es kein absolutes Bezugssystem gibt - und ein solches konnte bisher nicht festgestellt werden - dann sind Bewegung und Geschwindigkeit nur in Bezug auf beliebige andere Bezugssysteme definierbar, das heißt Geschwindigkeit ist relativ. Mit dem Wechsel des Bezugssystems ändert sich die Geschwindigkeit. Der Unterschied zwischen Relativ- und Absolutgeschwindigkeit besteht darin, dass das Referenzsystem für Absolutgeschwindigkeiten ein als absolut vermutetes System bzw. ein fester Raumpunkt wäre.

Relativ zu dem in einem Fahrzeug sitzenden Fahrer hat das Fahrzeug die Geschwindigkeit Null. Relativ zu einer auf der Straße stehenden Person hat das Fahrzeug beispielsweise eine Geschwindigkeit von 100 km/h. Man sieht daraus, dass Relativgeschwindigkeiten physikalisch real sind und je nach ihrer Größe harmlos oder verheerend sein können.

Man kann daher nicht von der Größe einer Geschwindigkeit sprechen, ohne anzugeben, auf welches Bezugssystem sich die Größe einer Geschwindigkeit bezieht. Eine Geschwindigkeit kann in Bezug auf unterschiedlich bewegte Systeme niemals den gleichen Wert haben. Ohne ausdrückliche Angabe oder stillschweigende Voraussetzung eines bestimmten Bezugssystems ist der physikalische Begriff "Geschwindigkeit" sinnlos. Aus diesem Grund ist das Prinzip der invarianten Lichtgeschwindigkeit logisch unhaltbar. Für die invariante Lichtgeschwindigkeit gibt es kein Bezugssystem. Die Invarianz der Lichtgeschwindigkeit beinhaltet, dass jeder Beobachter, gleich ob er sich auf eine Lichtquelle zu bewegt oder sich von ihr entfernt, die Lichtgeschwindigkeit mit dem selben Wert c messen soll.

2. Die beiden Postulate Einsteins, spezielles Relativitätsprinzip und Prinzip der konstanten Lichtgeschwindigkeit, stehen in Widerspruch zueinander. Entweder ist die Lichtgeschwindigkeit c  unabhängig von der Bewegung der Lichtquelle. Oder das Licht wird in einem bewegten System (bzw. von einer Lichtquelle) mitgeführt, dann hat es relativ zu einem Ruhesystem die Geschwindigkeit c + v. Der Widerspruch wird nur scheinbar mathematisch aufgelöst, indem ein weiteres in sich widersprüchliches Prinzip, nämlich das Prinzip der invarianten Lichtgeschwindigkeit eingeführt wird.

3. Ein Beispiel

3.1 Das bewegte System ist ein Eisenbahnzug, der mit der Geschwindigkeit v fährt. Vom Zugende A sendet eine Lichtquelle einen Lichtimpuls zum Zuganfang B. Während der Lichtimpuls im fahrenden Zug die Strecke AB zurücklegt (laut Einsteins Relativitätsprinzip hat der Lichtimpuls im Zug die Geschwindigkeit c), gelangt das vordere Zugende B nach  C. Aus Sicht eines am Bahndamm stehenden Beobachters legt der Lichtimpuls die längere Strecke AC zurück, und zwar mit der Geschwindigkeit c + v. (Wenn man sich statt des Lichtimpulses eine Billardkugel vorstellt, wird es anschaulicher). Mangels eines absoluten Bezugssystems ist jede Geschwindigkeit relativ, und ihre Größe hängt vom gewählten Bezugssystem ab. Nach der Logik hat der Lichtimpuls von außen betrachtet, also relativ zum ruhenden Beobachter die Geschwindigkeit c + v.

_______________________ >
A                                        B       C


3.2 Gegen das spezielle Relativitätsprinzip spricht, dass ein Lichtimpuls - auch wenn sich die Lichtquelle bewegt - an einem bestimmten Ort emittiert wird. Dieser Ort ist Bezugspunkt *) für die Ausbreitungsgeschwindigkeit c des Lichtes. Damit kann die Lichtgeschwindigkeit nicht unabhängig davon  sein, ob sich ein Beobachter zu diesem Ort hin oder von ihm weg bewegt. Ohne spezielles Relativitätsprinzip, aber unter Einhaltung des Prinzips der konstanten Lichtgeschwindigkeit ergibt sich folgendes: Der Lichtimpuls breitet sich vom Emissionspunkt  A mit der Geschwindigkeit c aus. Die gleiche Geschwindigkeit c hat er gegenüber dem ruhenden Beobachter, weil dieser seine Position gegenüber dem Punkt A, von welchem der Lichtimpuls abgegeben wurde, nicht verändert. Der Zug entfernt sich vom Emissionspunkt A mit der Geschwindigkeit v, so dass der Lichtimpuls im bewegten Zug (relativ zum Zug) die Geschwindigkeit c - v hat. Das Prinzip der konstanten Lichtgeschwindigkeit, wonach die Lichtgeschwindigkeit unabhängig von der Bewegung der Lichtquelle ist und in Bezug auf den Emissionspunkt A nicht größer als c sein kann, wird eingehalten. Bei dieser Betrachtungsweise liegt der eigentliche Fehler der Relativitätstheorie im speziellen Relativitätsprinzip, nach welchem die Lichtgeschwindigkeit in jedem Inertialsystem den Wert c hat. Wie sich das Licht tatsächlich ausbreitet, ist bis heute nicht geklärt.

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*) Da v = s/t gilt und da die Strecke s durch zwei Endpunkte bestimmt wird, sind zwei Punkte zur Definition einer Geschwindigkeit notwendig. Wenn ich hier von einem Bezugspunkt spreche, so meine ich das an diesem Punkt festgemachte Koordinatensystem, in welchem die Strecke s bestimmt wird.

Das PKL wird fallen

Das Prinzip der konstanten Lichtgeschwindigkeit (PKL) ist die grundlegende physikalische Annahme, auf der die spezielle Relativitätstheorie beruht. Das PKL beinhaltet nicht nur die durchaus glaubhafte Hypothese, wonach die Lichtgeschwindigkeit c unabhängig von der Bewegung der Lichtquelle konstant ist. Vielmehr hat das PKL bei Einstein die unlogische Bedeutung, dass jeder Beobachter die Lichtgeschwindigkeit mit c misst, gleich ob er sich auf die Lichtquelle zu bewegt oder sich von ihr entfernt. Die Relativitätstheorie beruft sich hierbei auf den berühmten Versuch von Michelson und Morley,  der allerdings auch andere Interpretationen als die relativistische Deutung Einsteins zulässt. Dass spätere Experimente, wie zum Beispiel Sagnac 1913, Michelson und Gale 1925 oder Marinov 1980 das PKL widerlegen, wird von der herrschenden Meinung ignoriert.

Das PKL als Grundvoraussetzung der Relativitätstheorie ist eine Paradoxie, weil die invariante Lichtgeschwindigkeit nicht nur der physikalischen und mathematischen Logik ins Gesicht schlägt, sondern   "Geschwindigkeit" zu einem sinnlosen Begriff macht. Denn in Ermangelung eines festen Bezugssystems sind nur Relativgeschwindigkeiten feststellbar, also Geschwindigkeiten in Bezug auf beliebige Bezugssysteme. Eine Geschwindigkeit kann in Bezug auf unterschiedlich bewegte Systeme niemals die selbe Größe haben.


Auf der Grundlage des PKL konstruiert Einstein die "Zeitdilatation".  Hierzu betrachtet er zwei Punkte A und B in einem bewegten System. Aus dem PKL resultiert eine unterschiedliche Lichtlaufzeit von A nach B für den ruhenden und den bewegten Beobachter, so dass der ruhende Beobachter alle Vorgänge im bewegten System langsamer ablaufen sieht. Was Einstein nicht bedenkt und was die relativistische Physik bis heute ignoriert: Es ist logisch und tatsächlich ausgeschlossen, dass ein und derselbe Lichtimpuls in einem konkreten Punkt B zu unterschiedlichen Zeiten eintrifft.

Zuletzt wurde das PKL durch Messungen im Rahmen des "Opera"- Projekts widerlegt. Nach einer Krisensitzung des Cern-Forschungszentrums wurde in einer eilig einberufenen Pressekonferenz die Beobachtung bekannt gegeben, dass Neutrinos die Lichtgeschwindigkeit übertreffen. Die Meldung erschien am 24. September 2011 auf den Titelseiten der großen Tageszeitungen. Laut Cern-Chef Rolf Heuer verlangt es die Ethik der Wissenschaft, dass die Resultate der breiteren (Physiker-) Gemeinschaft zugänglich gemacht werden, um eine Prüfung durch unabhängige Experimente anzuregen. Cern-Forschungschef Sergio Bertolucci erläuterte: "Falls diese Messungen bestätigt werden, könnten sie unsere Sicht auf die Physik verändern."  Die relativistische Physik sollte die aufgezeigte Chance nutzen, um endlich einen Diskussionsprozess über die Relativitätstheorie zuzulassen. Wie sonst will die Physik aus dem Dilemma herauskommen, dass sie an einer  offensichtlich seit Jahrzehnten überholten Grundlagentheorie dogmatisch festhält?

Daneben enthalten die Nachrichten aus dem Cern eine Botschaft, die im Grunde nicht neu, aber in ihrer Tragweite noch nie voll in das öffentliche Bewusstsein eingegangen ist. Minimalste Messdifferenzen, in diesem Fall ganze 60 Milliardstelsekunden, liegen zwischen der Relativitätstheorie und ihrer experimentellen Widerlegung. Dass die Theorie seit 100 Jahren logisch widerlegt ist (durch Paul Langevin, 1911), wird nach wie vor geleugnet. Aber immerhin wurde nun offiziell die Möglichkeit in Erwägung gezogen, dass sie experimentell wackeln könnte. Ein deutlicher Fortschritt.

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Nachtrag vom 26. Februar 2012:

Gestern stand in der Zeitung, dass die Neutrinos falsch gemessen wurden. Ein lockerer Stecker war schuld. Das kann passieren, denn wo Menschen am Werk sind, werden Fehler gemacht, und komplizierte Technik ist empfindlich. Ich habe mich zu früh gefreut. Die Spitzen des Cern treten vor die Weltpresse, um die Menschheit auf das Ende der Relativitätstheorie einzustimmen, und dann so etwas. Das fehlerhafte Versuchsergebnis stellt alles in Frage, was sie bisher gelernt und gelehrt haben. Trotzdem verschweigen sie es nicht oder versuchen eine Deutung, die ihnen in den Kram passt. Sondern sie informieren die Öffentlichkeit und rufen die Physiker in aller Welt zur Nachprüfung auf. Angesichts dessen, dass die Relativitätstheorie auf dem Spiel steht, ist dieses Verhalten nach den Erfahrungen der Vergangenheit völlig unerwartet und verdient Respekt. Doch möglicherweise ist auch dieses Lob voreilig. Im schlimmsten Fall wird der blamable Vorgang dazu benützt, um die nach Austausch des defekten Kabels zu erwartenden "normalen" Messergebnisse als glanzvolle Bestätigung der Relativitätstheorie zu verkaufen.

4. Januar 2013:
Rückblickend gesehen, war es wohl eine geschickte Public-relations-Aktion. Warum sonst das Tamtam um einige Fehlmessungen? Die Botschaft der PR-Aktion lautet: Seht her, die Behauptung der Kritiker stimmt gar nicht, dass wir Versuchsergebnisse ignorieren, welche gegen die Relativitätstheorie sprechen. Beim geringsten Zweifel informieren wir die Weltöffentlichkeit und fordern die Physikergemeinde zur Nachprüfung auf!