Wenn es kein absolutes räumliches Bezugssystem gibt, dann ist Bewegung relativ. Die Bewegung eines physikalischen Systems kann nur relativ zu einem anderen System festgestellt und beschrieben werden. Dies ist eine der Grundvoraussetzungen der Relativitätstheorie. Einsteins ursprünglicher Text von 1905 befasst sich bewusst nur mit dem kinematischen, also geometrischen Aspekt von Bewegung. Die auf Masse und Beschleunigung beruhenden dynamischen Aspekte bleiben außer Betracht. Daher trägt der erste Teil der speziellen Relativitätstheorie im Originaltext von 1905 die Überschrift "Kinematischer Teil".
Die Relativität von Bewegung hat insbesondere zwei Konsequenzen:
- Jede geradlinige Relativbewegung zwischen zwei Systemen enthält eine parallele Komponente. Ausschließlich die parallele Bewegungskomponente ist ursprünglich Gegenstand der speziellen Relativitätstheorie. Theoretisch können Einsteins Relativitätseffekte auch aus nicht parallelen Bewegungen berechnet werden, jedoch nur auf sehr komplizierte Weise.
- Jede Relativbewegung zwischen zwei Systemen ist symmetrisch. Daraus folgt, dass wahlweise eines der beiden Systeme kinematisch als ruhend betrachtet werden kann. Dies kommt unserem Vorstellungsvermögen entgegen (wir sind nicht in der Lage, uns zwei unterschiedliche Bewegungen gleichzeitig vorzustellen) und erleichtert entscheidend die mathematische Handhabung.
Beispiele zur Symmetrie:
- Kinematisch besteht kein Unterschied, ob sich der Zug oder der Bahnsteig bewegt. In der Wirklichkeit ist jedoch klar, dass der Bahnsteig bzw. die Erde infolge ihrer unvergleichbar größeren Masse praktisch das feste Bezugssystem für den Zug ist.
- Kinematisch besteht kein Unterschied, ob sich die Erde um die Sonne oder die Sonne um die Erde dreht. Aus Sicht eines Beobachters auf der Erde beschreibt die Sonne eine (ungefähre) Kreisbahn um die Erde, aus Sicht der Sonne ist es umgekehrt. Aufgrund kosmologischer und astronomischer Erkenntnisse weiß man jedoch, dass tatsächlich die Sonne das Bezugssystem ist, um welches sich die Planeten bewegen.
- Das Uhrenparadoxon beruht auf der von Einstein beschriebenen Relativbewegung zwischen zwei Uhren. Die eine ruht, die andere wird auf einer Kreisbahn bewegt. Die Bewegung ist symmetrisch. Denn aus Sicht von Uhr Nr. 1 beschreibt Uhr Nr. 2 eine Kreisbahn. Aus Sicht von Uhr Nr. 2 bewegt sich aber die Uhr Nr. 1 auf einer Kreisbahn. Trotzdem soll laut Einstein die auf der Kreisbahn bewegte Uhr gegenüber der in Ruhe gebliebenen Uhr nachgehen. Aus der Symmetrie folgt letztlich die seit 1911 bekannte einfache Widerlegung der Relativitätstheorie: Es ist logisch und tatsächlich ausgeschlossen, dass von zwei Uhren jede gegenüber der anderen nachgeht.
- Das Zwillingsparadoxon ist kinematisch gesehen identisch mit der Situation beim Uhrenparadoxon. Doch entgegen der kinematischen Betrachtungsweise der speziellen Relativitätstheorie wird die Bewegungssymmetrie zwischen Erde und Raumschiff umgemünzt in die Asymmetrie zwischen ruhender Erde und beschleunigtem Raumfahrer. Weil auch die führenden Relativitäts-Theoretiker erkannt haben, dass das so nicht stimmt, versucht man seit einigen Jahren die Asymmetrie, die zum Altersunterschied zwischen den Zwillingen führen soll, nicht mehr mit der allgemeinen, sondern wieder wie ursprünglich mit der speziellen Relativitätstheorie zu erklären. Zu diesem Zweck wird eine neue Asymmetrie mit Hilfe von Minkowski-Weltlinien konstruiert. So lange alle daran glauben, weil es niemand versteht oder nachvollziehen kann, ist die relativistische Welt wieder in Ordnung.
Mittwoch, 31. Juli 2013
Freitag, 26. Juli 2013
Zeitphilosophie und Physik
Der Physiker, Ingenieur oder Techniker bedarf an sich keiner Zeitphilosophie. Um die Zeit zu messen, benötigt er neben anderen Finessen moderner Messtechnik vor allem eine gleichmäßig gehende Uhr, um die Zeitdauer zwischen zwei Ereignissen zu messen. Aufgrund seiner praktischen Erfahrung wird er sich gern mit dem Prinzip von Einsteins Relativitätstheorie anfreunden, wonach Zeit das ist, was wir von der Uhr ablesen.
Allerdings enthält dieses Prinzip keine Aussage darüber, was die Zeit eigentlich ist. Existiert sie eigenständig oder als Eigenschaft der Welt? Ist sie lediglich ein abstraktes Ordnungsprinzip? Ist sie ein angeborenes Denkprinzip? Verläuft sie von Natur aus gleichmäßig? Über diese und ähnliche Fragen zerbrechen sich Philosophen seit der Antike den Kopf. Aristoteles, Newton, Leibniz, Kant, sie alle kamen zu unterschiedlichen Vorstellungen von Zeit. Für viele ist die Zeit, wie für Augustinus, ein Rätsel, und einige behaupten gar, die Zeit sei eine Illusion.
Um 1900 gab es, ebenso wie heute, keine einheitliche und allgemein akzeptierte Auffassung von Zeit. Die Physik hielt sich an Newton, die Philosophie im deutschsprachigen Raum überwiegend an Kant. Mit Einsteins Relativitätstheorie von 1905 wurde die unreflektierte Erfahrung, wonach Zeit das ist, was wir von der Uhr ablesen, zur philosophischen Maxime erhoben. Dass die spezielle Relativitätstheorie grundlegende Denkprinzipien in Frage stellt und zur Verstandeslogik im Widerspruch steht, führte zunächst zu breiter Ablehnung durch Physiker und Philosophen. Kritisiert wurden z. B. die Relativität der Gleichzeitigkeit, der Wegfall der einheitlichen Wirklichkeit zugunsten subjektiver Beobachterwirklichkeiten, die Lichtgeschwindigkeit als Naturkonstante, der unterschiedliche Zeitverlauf in unterschiedlich bewegten Systemen und die damit verbundene Möglichkeit von Zeitreisen. Auf der anderen Seite fand Einstein einflussreiche Förderer wie Max Planck, was von entscheidender Bedeutung war.
Erst nachdem Eddington 1919 die Ablenkung des Sternenlichts durch die Schwerkraft der Sonne als Bestätigung der allgemeinen Relativitätstheorie wertete und dies zunächst von der New York Times und danach von den Massenmedien in Europa zur Weltsensation hochgejubelt wurde, kam der Durchbruch. Über Nacht wurde Einstein weltberühmt. Dass schon über 100 Jahre zuvor der bayerische Astronom und Mathematiker Johann Georg Soldner die Lichtablenkung durch die Schwerkraft der Sonne berechnet hatte, war kaum bekannt und ging im allgemeinen Begeisterungstaumel über den gekrümmten Raum und Zeitreisen unter.
Die Relativitätstheorie macht Aussagen über die Zeit mit dem Anspruch auf Allgemeingültigkeit. Da sie als naturwissenschaftliche Theorie präsentiert wird, gibt es nur zwei Möglichkeiten: richtig oder falsch. Daraus folgt vom Standpunkt der Physik aus, dass abweichende philosophische Zeittheorien falsch sein müssen. Damit beginnt eine verhängnisvolle Entwicklung. Der ausschliessliche Wahrheitsanspruch der Relativitätstheorie wurde nach und nach durchgesetzt, zuerst an den Universitäten, dann in der Öffentlichkeit. Neue Denkansätze und Erkenntnisse wurden blockiert. So zum Beispiel die aus der evolutionären Erkenntnistheorie folgende Einsicht über den kausalen Zusammenhang zwischen der zeitlichen Struktur der Welt und der angeborenen zeitlichen Struktur unseres Denkens. Gern gesehen und gefördert werden dagegen zeitphilosophische Ansätze, die auf irgend eine Weise mit der Relativitätstheorie vereinbar sind.
Wer eine abweichende Zeitphilosophie vertritt, muss sich zwangsläufig mit der Relativitätstheorie kritisch auseinander setzen. Die Kritik an der Relativitätstheorie gilt jedoch nicht nur an den Universitäten, sondern auch in den Medien und Verlagshäusern weitgehend als öffentliches Tabu und findet daher überwiegend im Internet statt. Die Relativität ist zur herrschenden Ideologie geworden. Die Kritiker werden hierzulande als Cranks diffamiert und nicht selten pauschal des Antisemitismus verdächtigt, um die sachliche Auseinandersetzung mit den kritischen Argumenten zu vermeiden. Doch Vernunftwahrheit und Verstandeslogik lassen sich auf Dauer nicht unterdrücken.
Allerdings enthält dieses Prinzip keine Aussage darüber, was die Zeit eigentlich ist. Existiert sie eigenständig oder als Eigenschaft der Welt? Ist sie lediglich ein abstraktes Ordnungsprinzip? Ist sie ein angeborenes Denkprinzip? Verläuft sie von Natur aus gleichmäßig? Über diese und ähnliche Fragen zerbrechen sich Philosophen seit der Antike den Kopf. Aristoteles, Newton, Leibniz, Kant, sie alle kamen zu unterschiedlichen Vorstellungen von Zeit. Für viele ist die Zeit, wie für Augustinus, ein Rätsel, und einige behaupten gar, die Zeit sei eine Illusion.
Um 1900 gab es, ebenso wie heute, keine einheitliche und allgemein akzeptierte Auffassung von Zeit. Die Physik hielt sich an Newton, die Philosophie im deutschsprachigen Raum überwiegend an Kant. Mit Einsteins Relativitätstheorie von 1905 wurde die unreflektierte Erfahrung, wonach Zeit das ist, was wir von der Uhr ablesen, zur philosophischen Maxime erhoben. Dass die spezielle Relativitätstheorie grundlegende Denkprinzipien in Frage stellt und zur Verstandeslogik im Widerspruch steht, führte zunächst zu breiter Ablehnung durch Physiker und Philosophen. Kritisiert wurden z. B. die Relativität der Gleichzeitigkeit, der Wegfall der einheitlichen Wirklichkeit zugunsten subjektiver Beobachterwirklichkeiten, die Lichtgeschwindigkeit als Naturkonstante, der unterschiedliche Zeitverlauf in unterschiedlich bewegten Systemen und die damit verbundene Möglichkeit von Zeitreisen. Auf der anderen Seite fand Einstein einflussreiche Förderer wie Max Planck, was von entscheidender Bedeutung war.
Erst nachdem Eddington 1919 die Ablenkung des Sternenlichts durch die Schwerkraft der Sonne als Bestätigung der allgemeinen Relativitätstheorie wertete und dies zunächst von der New York Times und danach von den Massenmedien in Europa zur Weltsensation hochgejubelt wurde, kam der Durchbruch. Über Nacht wurde Einstein weltberühmt. Dass schon über 100 Jahre zuvor der bayerische Astronom und Mathematiker Johann Georg Soldner die Lichtablenkung durch die Schwerkraft der Sonne berechnet hatte, war kaum bekannt und ging im allgemeinen Begeisterungstaumel über den gekrümmten Raum und Zeitreisen unter.
Die Relativitätstheorie macht Aussagen über die Zeit mit dem Anspruch auf Allgemeingültigkeit. Da sie als naturwissenschaftliche Theorie präsentiert wird, gibt es nur zwei Möglichkeiten: richtig oder falsch. Daraus folgt vom Standpunkt der Physik aus, dass abweichende philosophische Zeittheorien falsch sein müssen. Damit beginnt eine verhängnisvolle Entwicklung. Der ausschliessliche Wahrheitsanspruch der Relativitätstheorie wurde nach und nach durchgesetzt, zuerst an den Universitäten, dann in der Öffentlichkeit. Neue Denkansätze und Erkenntnisse wurden blockiert. So zum Beispiel die aus der evolutionären Erkenntnistheorie folgende Einsicht über den kausalen Zusammenhang zwischen der zeitlichen Struktur der Welt und der angeborenen zeitlichen Struktur unseres Denkens. Gern gesehen und gefördert werden dagegen zeitphilosophische Ansätze, die auf irgend eine Weise mit der Relativitätstheorie vereinbar sind.
Wer eine abweichende Zeitphilosophie vertritt, muss sich zwangsläufig mit der Relativitätstheorie kritisch auseinander setzen. Die Kritik an der Relativitätstheorie gilt jedoch nicht nur an den Universitäten, sondern auch in den Medien und Verlagshäusern weitgehend als öffentliches Tabu und findet daher überwiegend im Internet statt. Die Relativität ist zur herrschenden Ideologie geworden. Die Kritiker werden hierzulande als Cranks diffamiert und nicht selten pauschal des Antisemitismus verdächtigt, um die sachliche Auseinandersetzung mit den kritischen Argumenten zu vermeiden. Doch Vernunftwahrheit und Verstandeslogik lassen sich auf Dauer nicht unterdrücken.
Sonntag, 2. Dezember 2012
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.
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.
Mittwoch, 27. Juni 2012
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.
----------
*) 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
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.
----------
*) 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
Mittwoch, 20. Juni 2012
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.*)
--------
*) 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. (??)
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.*)
--------
*) 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. (??)
Freitag, 17. Februar 2012
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.
-----------
*) 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.
Montag, 13. Februar 2012
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.
------------------
*) 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.
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.
------------------
*) 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.
Abonnieren
Posts (Atom)