Die Raum-Zeit

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Published on: 28. Januar 2012

Ich habe schon im Artikel „Die Natur des Lichts“ darauf hingewiesen, daß die Relativitätstheorie 3 Schwachstellen hat:

  1. Kraftfelder könnten den Äther bilden. Das bedeutet nicht, daß alle Kraftfelder den Äther bilden, es könnte sein, daß nur spezielle Kraftfelder den Äther bilden.
  2. Es ist nur nachgewiesen worden, daß die Lichtgeschwindigkeit in allen Richtungen gleich ist während eines Meßversuchs. In verschiedenen Inertialsystemen kann die Lichtgeschwindigkeit unterschiedliche Werte haben.
  3. Auch wenn sich das Licht in allen Richtungen mit der gleichen Geschwindigkeit bewegt, sagen die Experimente nichts darüber aus, wie sich die Längen der Elektronenbahnen verändern, wenn das Objekt seine Geschwindigkeit ändert.

In diesem Artikel will ich zeigen, wie die Raum-Zeit funktioniert. Sie brauchen dafür keine mathematischen Kenntnisse, denn man kann die Physik ohne jede mathematische Formel beschreiben. Natürlich kann man das auch mathematisch untersuchen. Deshalb habe ich bei Ergänzungen eine PDF-Datei hinterlassen, in der Sie sich die dazugehörigen mathematischen Formeln betrachten können.

Die 2 Wirklichkeiten

Die grundlegende Idee Einsteins war, daß er die Welt aus dem Blickwinkel des Beobachters beschreiben wollte. Man kann sich das so vorstellen:

Es gibt 2 verschiedene Wirklichkeiten. Die objektive Wirklichkeit, die wir aber nicht immer feststellen können, und die subjektive Wahrnehmung dieser Welt, das sind die Ergebnisse und Auswertungen unseres Meßsystems.

Einstein hat es zwar nicht so beschrieben, aber es ist das, was in der Relativitätstheorie passiert, wenn man sie korrekt anwendet. Ich lege auf diese Sichtweise deshalb so großen Wert, weil viele Widersprüche nur entstehen, weil einige Wissenschaftler diese beiden Wirklichkeiten miteinander verwechseln.

Wenn Sie Schwierigkeiten haben, sich diese 2 Wirklichkeiten vorzustellen, dann denken Sie an einen Pistolenschuß. Wenn ich schieße, dann fliegt die Kugel aus dem Lauf der Pistole heraus. Das ist die objektive Wirklichkeit. Alle Handlungen spielen sich in dieser Wirklichkeit ab. Jetzt kann ich an 2 Orten eine Uhr hinstellen und nachsehen, zu welcher Uhrzeit die Kugel an dieser Uhr vorbeikommt. Anhand der Zeitabmessung erkenne ich dann, in welche Richtung die Kugel geflogen ist. Das ist die subjektive Wahrnehmung der Wirklichkeit. Alle Messungen finden in dieser Wirklichkeit statt.

Wenn ich die 2 Uhren schlecht synchronisiere, dann kann es passieren, daß ich auf Grund der Zeitablesung zu dem Schluß komme, daß die Kugel nicht aus der Pistole heraus, sondern in diese hinein geflogen ist. Der Uhrenvergleich war nicht ganz korrekt.

Einsteins Konstruktion eines Meßsystems

Die Methode, Uhren zu synchronisieren

Einstein hat eine Methode entwickelt, 2 verschiedene Uhren so genau wie möglich zu synchronisieren. Da Licht das genaueste Meßwerkzeug ist, welches wir kennen, benutzte er die bekannten Eigenschaften des Lichtes. Leider gab es das Ätherproblem. Da die Wissenschaftler keine Lösung zu den Widersprüchen fanden, versuchte Einstein eine Methode zu benutzen, die unabhängig vom Äther war.

Durch das Michelson-Morley-Experiment war ihm bekannt, daß sich auf der Erde das Licht in allen Richtungen mit der gleichen Geschwindigkeit ausbreitet. Befindet man sich in einem Inertialsystem, das heißt, man bewegt sich mit einer konstanten Geschwindigkeit ohne die Richtung zu ändern, dann definierte er für 2 Uhren, die sich im gleichen Inertialsystem befinden folgendes Verfahren um sie zu synchronisieren:

Man schicke einen Lichtstrahl von der 1. Uhr zur 2. Uhr, reflektiere ihn dort und schicke ihn wieder zurück zur 1. Uhr. Man messe den Zeitunterschied zwischen dem Losschicken und dem Ankommen des Lichtstrahls an der 1. Uhr. Die Hälfte der Zeit ist dann die Zeit, die der Lichtstrahl für den Weg von einer Uhr zur anderen benötigt. Wenn man jetzt die 1. Uhr mit einer Zeitangabe startet, beispielsweise 1200 Uhr, und in dem Augenblick einen Lichtstrahl zur 2. Uhr sendet und die 2. Uhr mit der gleichen Zeitangabe in dem Augenblick startet, also ebenfalls 1200 Uhr, wenn der Lichtstrahl diese Uhr erreicht, dann muß ich die 2. Uhr um die Zeitdifferenz vorstellen, die das Licht für den Weg von der 1. Uhr zur 2. Uhr benötigte. Dann sind beide Uhren synchron.

Dies ist eine Vorgehensweise mit der man Gleichzeitigkeit definieren kann. Dies ist aber die Gleichzeitigkeit des Meßsystems, welches ich aufbaue. Wie sieht aber die Gleichzeitigkeit in der objektiven Realität aus? Darüber sagt diese Vorgehensweise nichts aus. Man kann aber beide Fälle miteinander vergleichen:

Eine 3-dimensionale Darstellung der relativen Gleichzeitigkeit nach dem Vorbild einer technischen Zeichnung.

Ich habe hier die Konstruktion der relativen Gleichzeitigkeit wie bei einer technischen Zeichnung dargestellt. Die untere Graphik ist die Draufsicht. Die Zeit wird dargestellt durch verschiedene Schichten in der Zeichnungsebene. Das bewegte Inertialsystem bewegt sich in die Richtung, die durch die rote Linie dargestellt wird. Das ist eine Dimension in Bewegungsrichtung. Senkrecht dazu wird eine von 2 Dimensionen senkrecht zur Bewegungsrichtung des Inertialsystems dargestellt. Die gepunkteten Kreise zeigen die Lichtausbreitung zu verschiedenen Zeitpunkten. Wenn zu einem 1. Zeitpunkt Lichtsignale abgeschickt werden und an Spiegeln, die sich am Ort der oliven Linie befinden, reflektiert werden, dann treffen sich die Lichtstrahlen gleichzeitig im 2. Zeitpunkt.

Die obere linke Zeichnung ist die Darstellung in der Ebene, die man häufiger in der Literatur findet. Es ist die Vorderansicht. Allerdings habe ich hier nicht nur den Lichtweg eingezeichnet, der parallel zur Bewegungsrichtung ist, sondern alle Lichtstrahlen aus der Draufsicht. Die Ellipse aus der Draufsicht wird in diesem Fall zu einer Geraden, da die Ellipse senkrecht in der Zeichnungsebene steht. Die gepunkteten Linien kennzeichnen die Kreise aus der Lichtausbreitung, die ebenfalls senkrecht in der Beobachtungsebene liegen.

Die rechte Zeichnung ist die Seitenansicht und zeigt, was senkrecht zur Bewegungsrichtung passiert. Wichtig ist, daß die relative Gleichzeitigkeit in dieser Zeichnungsebene mit der absoluten Gleichzeitigkeit identisch ist. Da es 2 Dimensionen gibt, die senkrecht zur Bewegungsrichtung sind, gibt es einen 2-dimensionalen Unterraum in dem absolute Gleichzeitigkeit vorhanden ist.

Da man anhand der Vorderansicht am besten erklären kann, was in der Relativitätstheorie passiert, betrachte ich jetzt nur noch diese Darstellung.

Das Licht legt in 1s 300.000km=1Ls (Ls:=Lichtsekunde) zurück. Dies kann ich graphisch darstellen, in dem ich senkrecht eine Zeitachse benutze und waagerecht eine Raumachse in der Richtung, in der sich das Lichtsignal bewegt. Da sich das Licht in allen Richtungen mit der gleichen Geschwindigkeit ausbreitet, ist es egal, welche Koordinatenachse benutzt wird, um dieses graphisch darzustellen. Wenn ich zu jedem Zeitpunkt in die Graphik den Ort einzeichne, an dem sich das Lichtsignal befindet, dann erhalte ich eine Gerade. Ich habe in der Graphik die Geraden für 2 Lichtsignale gezeichnet, die sich in entgegengesetzten Richtungen bewegen.

Wenn ich jetzt in einem Inertialsystem ein Meßsystem aufbauen will, dann kann man sich die Konstruktion der Gleichzeitigkeit so vorstellen, wie sie in der folgenden Graphik dargestellt wird:

Ich befinde mich in einem Inertialsystem, welches sich beispielsweise mit 1/3 der Lichtgeschwindigkeit bewegt. Die graphische Darstellung ist jetzt so gewählt, daß ich die räumliche Koordinatenachse in die Richtung lege, in die sich mein Inertialsystem bewegt. Dann kann ich den Ort, an dem ich mich befinde, zu jedem Zeitpunkt darstellen. Ich erhalte eine rote Linie. Da ich mich langsamer als mit Lichtgeschwindigkeit bewege, ist diese Linie steiler als die Linien für die Lichtsignale. Der Ort, an dem ich mich befinde ist dann die Zeitachse in meinem bewegten Meßsystem. Jetzt brauche ich noch eine räumliche Achse. Zum 1. Zeitpunkt sende ich ein Lichtsignal in beide Richtungen aus. Ich erhalte 2 gelbe Linien für die Lichtsignale. Zu einem 2. späteren Zeitpunkt überlege ich mir, von wo das Licht gekommen sein müßte, wenn es bei mir zum gleichen Zeitpunkt ankommt. Dadurch erhalte ich 2 weitere gelbe Linien für Lichtsignale, die parallel zu den beiden 1. Lichtsignalen sind. Das erste Mal betrachte ich die Lichtsignale in Richtung Zukunft und das andere Mal aus der Richtung der Vergangenheit. Wenn sich die gelben Linien schneiden, dann erhalte ich 2 Schnittpunkte. Wenn ich an diesen Stellen eine Uhr starten würde, dann wären diese Uhren nach der Synchronisationsmethode von Einstein synchron. Sie würden die gleiche Zeit anzeigen. Ich erhalte so etwas wie ein Parallelogramm aus Lichtsignalen. Die eine Diagonale ist dann die Zeitachse und die andere die Raumachse in Bewegungsrichtung meines Meßsystems.

Nebenbei bemerkt. Man braucht sehr hohe Geschwindigkeiten, um diese relative Gleichzeitigkeit sichtbar zu machen. Die Erde bewegt sich mit einer Geschwindigkeit von ca. 30 km/s um die Sonne und das Sonnensystem mit ca. 20 km/s um das Milchstraßenzentrum. Also bewegen wir uns mit höchstens 50 km/s. Das ist 1/6000 der Lichtgeschwindigkeit. Bei dieser Geschwindigkeit gäbe es bei einer 6 m hohen Zeitachse eine Abweichung zur Seite von nur 1 mm. Die horizontale Raumachse würde dann bei einer Breite von 6 m nur eine Abweichung von 1 mm in der Höhe haben. Bei kleinen Geschwindigkeiten sind die Ergebnisse ziemlich genau.

Die Situationen bei Lichtgeschwindigkeit und Überlichtgeschwindigkeit

Ich habe bisher nur gezeigt, was passiert, wenn man sich mit Unterlichtgeschwindigkeit bewegt. Was passiert bei Lichtgeschwindigkeit und was passiert bei Überlichtgeschwindigkeit? Ich überprüfe, ob man ebenfalls ein Lichtrechteck bekommt, so daß man eine räumliche und eine zeitliche Achse definieren kann:

Bei Lichtgeschwindigkeit oder Überlichtgeschwindigkeit kann keine relative Gleichzeitigkeit erzeugt werden.

In der linken Graphik würde man sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegen. Innerhalb dieser Beschreibungsebene entfernt sich das Licht und es kommt auch nur aus einer Richtung. Das bedeutet, daß es mit dieser Methode unmöglich ist, eine Raumachse zu definieren. Im rechten Bild bewegt man sich mit 3-facher Lichtgeschwindigkeit. Dort treffen sich die Lichtsignale überhaupt nicht. Auch in diesem Fall kann man mit dieser Methode keine Raumachse definieren. Das einzige was man hat, ist eine Zeitachse.

Man beachte:  Es geht hier nur um die Aufstellung eines Meßsystems. Das bedeutet nicht, daß es keine Lichtgeschwindigkeit und keine Überlichtgeschwindigkeit in der objektiven Realität geben kann!

Solange man sich nur mit Unterlichtgeschwindigkeit bewegt, kann man dieses Meßsystem aufbauen.

Man sollte aber berücksichtigen, daß man diese Konstruktion immer durchführen kann, unabhängig von der Physik. Wenn Kraftfelder den Äther bilden, dann könnte sich allerdings bei einer Drehung eines Objektes in bewegten Kraftfeldern die Länge des Objektes ändern, wenn sich das Objekt relativ zum umgebenden Kraftfeld sehr schnell bewegt und das Objekt selbst nur einen geringen Anteil am Aufbau des Kraftfeldes hat. Hier spielt die 1. Schwachstelle eine Rolle.

Die 2 freien Parameter des Meßsystems

Nach dieser graphischen Konstruktion gibt es noch 2 freie Parameter. Einstein hat einfach vorausgesetzt, daß die Lichtgeschwindigkeit in beiden Systemen gleich ist. Nach der 2. Schwachstelle ist dies nicht sichergestellt.

Wie kann man sich das graphisch vorstellen?

Einen Teil des Lichtstrahls habe ich Oliv markiert. Wenn ich diesen Teil in der objektiven Realität betrachte, dann hat sich ein Lichtimpuls 1 s lang fortbewegt. In dieser Zeit hat er sich 1 Ls vom Ausgangspunkt entfernt. Die Projektionen auf die Raum und Zeitachse des Meßsystems habe ich durch die blauen Linien gekennzeichnet. Eine sinnvolle Möglichkeit wäre es, wenn auch die blauen Linien für 1 s und 1 Ls stehen würden. Dann würde ich mich aber nicht an der Physik orientieren sondern an der Geometrie. Wenn die Lichtgeschwindigkeit in beiden Systemen gleich ist, dann würde das folgendes bedeuten:

Steht die blaue Linie auf der Zeitachse für 1 s, dann steht die blaue Linie auf der Raumachse für 1 Ls, steht die blaue Linie auf der Zeitachse für 2 s, dann steht die blaue Linie auf der Raumachse für 2 Ls, usw.

Wie man sieht, ist die Eichung des Meßsystems noch nicht eindeutig. Man braucht für die Eichung des Meßsystems noch eine äußere Randbedingung. Einstein hat dies festgelegt durch seine Überlegung, daß Längen senkrecht zur Bewegungsrichtung in seinem Meßsystem immer gleich sind. Will man aber Längen in der physikalischen Realität betrachten, dann muß man sich um die Elektronenabstände kümmern. Hier spielt dann die 3. Schwachstelle eine Rolle.

Die Umkehrbarkeit des Systems

Das System der speziellen Relativitätstheorie ist sogar symmetrisch. Wenn ich die objektive Realität in meinem konstruierten Meßsystem darstellen will, dann sieht das so aus wie in folgender Graphik:

 

Wenn sich das Meßsystem relativ zur objektiven Realität mit der Geschwindigkeit v bewegt, dann bewegt sich innerhalb dieses Meßsystems die objektive Realität scheinbar mit der Geschwindigkeit –v. Das gezeichnete Bild ist einfach nur spiegelverkehrt. Das funktioniert nur deshalb, weil nach der Konstruktion die Lichtgeschwindigkeit in beiden Systemen gleich ist.

Die scheinbare Unabhängigkeit des Meßsystems von der objektiven Realität

Da sich innerhalb des bewegten Meßsystems das Licht ebenfalls in allen Richtungen mit der gleichen Geschwindigkeit ausbreitet wie in der objektiven Realität, kann man die Theorie noch weiter entwickeln. Wenn man 2 beliebige verschiedene Inertialsysteme hat, die sich beide mit Unterlichtgeschwindigkeit bewegen, dann kann man in jedem Inertialsystem seine Koordinaten so wählen, daß die Formeln der Speziellen Relativitätstheorie zur Übersetzung der Meßergebnisse dienen können.

Das Bild ändert sich nicht. Ich brauche dabei nur die schwarzen Raum- und Zeitachsen durch andersfarbige, nicht rote Achsen zu ersetzen. Das 1. bewegte Inertialsystem ist das, in dem ich mich befinde. Von meinem Standpunkt aus gesehen, scheine ich mich in Ruhe zu befinden. Für mich bewegt sich das andere Inertialsystem. Zum Beispiel ein fahrender Zug. Dessen Meßsystem konstruiere ich wiederum mit der gleichen Methode.

Die Formeln der Speziellen Relativitätstheorie liefern mir dann Übersetzungen der Messungen aus einem Inertialsystem in ein anderes.

Ich kann hier in der Beschreibung mein bewegtes Meßsystem behandeln wie die objektive Realität. Das bedeutet: Wenn ich 2 verschiedene Inertialsysteme habe, dann kann ich mit diesen Formeln die Meßergebnisse perfekt übersetzen. Wenn ich irgendein Objekt in beiden Systemen ausmesse, dann liefern mir die Formeln die perfekten Übersetzungen der Meßergebnisse. Das klappt deshalb, weil ich von Meßsystem zu Meßsystem übersetze. Das Ganze hat dann noch nichts mit der objektiven Realität zu tun. Deshalb funktionieren die Formeln der speziellen Relativitätstheorie auch so gut.

Probleme ergeben sich erst dann, wenn sich ein Objekt im 1. Inertialsystem in Ruhe befindet und ich messe in diesem Inertialsystem die Längen des Objektes. Wenn ich das Objekt drehe, dann bleiben alle Längen erhalten, wenn die 1. Schwachstelle keine Rolle spielt, wenn sie aber eine Rolle spielt, dann könnten sie sich verändern. Bringe ich das Objekt in ein 2. Inertialsystem, so daß es sich anschließend dort in Ruhe befindet und messe dann in diesem 2. Inertialsystem die Längen des Objektes, dann spielen bei der Längenveränderung die 2. und 3. Schwachstelle eine große Rolle. Erst an dieser Stelle beginnt die Physik. Alles andere sind mathematische Übersetzungen, die sich nicht um die Physik kümmern.

Der Einfluß der Schachstellen auf die Konstruktion eines Meßsystems

Ich kann natürlich die Relativitätstheorie auch anders aufbauen. Die 1. Schwachstelle bekomme ich nicht in den Griff. Aber ich kann das Meßsystem so konstruieren, daß die 2. und 3. Schwachstelle neutralisiert werden. Ich kann das Meßsystem so konstruieren, daß die Längen eines Objektes in jedem Inertialsystem erhalten bleiben, wenn ich es von einem Inertialsystem in ein anderes bringe, wenn die 1. Schwachstelle keine Rolle spielt. Ich orientiere dann mein Meßsystem an der physikalischen Realität.

Dazu brauche ich nur die Koordinatenachsen in Abhängigkeit vom Inertialsystem skalieren. Das heißt, ich multipliziere die räumlichen und die zeitliche Koordinatenachse mit einem Wert, der von der Geschwindigkeit des Inertialsystems abhängt. Das System ist dann nicht mehr symmetrisch. Die Umkehrung sieht dann beispielsweise so aus:

Die Umkehrfunktion ist nicht mehr symmetrisch, wenn die Lichtgeschwindigkeit nicht mehr in allen Inertialsystemen gleich ist. 

Der Anwendungsbereich der Theorie

Welche Bedingungen müssen erfüllt sein, damit ich dieses Verfahren überhaupt durchführen kann? Das Licht muß sich innerhalb des Bereiches in dem ich die verschiedenen Meßsysteme aufbaue, in allen Richtungen unabhängig vom Ort und der Zeit mit der gleichen Geschwindigkeit ausbreiten. Das heißt, ich kann dieses Verfahren überall dort anwenden, wo das Michelson-Morley-Experiment keine Verschiebung des Interferenzmusters anzeigt. Dies ist nur ein Lokales Argument. Es ist auf den kleinen Bereich eingeschränkt, in dem ich meinen Versuch durchführe. Ich kann das etwas verallgemeinern:

In den Bereichen, in denen der Äther unverändert bleibt bis auf Meßungenauigkeiten. Die Dichte des Äthers darf sich ebenfalls ändern, solange sich die Lichtgeschwindigkeit rein meßtechnisch nicht verändert.

Wenn Kraftfelder den Äther bilden, dann gilt das zum Beispiel auf der Erdoberfläche, kann allerdings in Abhängigkeit vom Breitenrad zu Abweichungen führen. Schließlich ist die Fliehkraft in Abhängigkeit vom Breitengrad unterschiedlich groß. Es gilt auch nur parallel zum Erdboden, aber es kann sich mit der Höhe verändern.

Eigenschaften für alle möglichen Formeln der Theorie

Wenn man sich an die Einschränkungen der Theorie hält, wann gelten dann die relativistischen Formeln für die Beschreibung der Realität?

Solange man in einem Inertialsystem Messungen durchführt und die Ergebnisse der Messungen mit Hilfe der relativistischen Formeln übersetzt, für einen Beobachter aus einem anderen Inertialsystem, ist dann immer alles richtig, egal welche der relativistischen Formeln benutzt wird. Das funktioniert, weil dies keine physikalische Besonderheit ist, sondern für jede lineare Beschreibungsmethode bei einem Koordinatenwechsel gilt, wenn in eindeutiger Weise das 4-dimensionale Raum-Zeit-Kontinuum wieder auf ein 4-dimensionales Raum-Zeit-Kontinuum abgebildet wird. Für die bewegten Inertialsysteme, die sich langsamer als mit Lichtgeschwindigkeit bewegen, ist das immer erfüllt.

Wenn man voneinander isolierte Objekte hat, bei denen man sich nur für ihre Lage im Raum interessiert, dann kann man mit ihnen machen was man will. Man kann sie beschleunigen, so daß sie sich von einem Inertialsystem in ein anderes bewegen, und die Beobachtungen passen immer zu dem, was die relativistische Formel voraussagt, egal welche Formel auch immer benutzt wird.

Erst wenn man ein Objekt im 1. Inertialsystem ausmißt, während es sich dort in Ruhe befindet und später noch einmal in einem 2. Inertialsystem ausmißt, während es sich dort in Ruhe befindet, bleiben die Meßergebnisse nur dann erhalten, wenn ich das richtige Formelsystem wähle. Man beachte aber, daß ich damit nur die 2. und 3. Schwachstelle neutralisieren kann.

Wenn Kraftfelder den Äther bilden, dann könnten sich die Längen in Abhängigkeit von ihrer Lage im Raum verändern. Schließlich ist das Michelson-Morley-Experiment nicht an einem Riesenrad durchgeführt worden, also könnte es sein, daß man dort eine Verschiebung des Interferenzmusters finden würde. In einem bewegten Meßsystem könnte dann eine Drehung zu einer Längenveränderung führen.

Was kann man messen?

Bisher habe ich mich nur um das Messen gekümmert. Man sollte sich aber auch die Frage stellen, was kann man denn überhaupt messen? Viele Fehler in der Speziellen Relativitätstheorie entstehen, weil sich die Wissenschaftler nicht darum gekümmert haben.

Ich kann nur das messen, was es in der objektiven Wirklichkeit gibt.

Wenn die 1. Schwachstelle eine Rolle spielt, könnten beliebig große Geschwindigkeiten von physikalischen Objekten gemessen werden, aber niemals unendlich große Geschwindigkeiten.

Wenn die 1. Schwachstelle niemals eine Rolle spielt, sondern nur die 2. und 3. Schwachstelle, dann kann für physikalische Objekte, deren Größe mindestens aus einem vollständigen Atom besteht, die Lichtgeschwindigkeit nicht erreicht werden, da dann der Zusammenhalt zwischen Atomkern und Elektron verloren geht. Für die zusammenhängenden Bruchstücke von Atomen kann ich keine Aussage machen. Wer weiß, vielleicht können diese trotzdem die Lichtgeschwindigkeit überschreiten. Bei Lichtgeschwindigkeit wird ja nur die Gestalt des Atoms zerstört.

Die graphische Darstellung dessen, was gemessen werden kann

Wenn man erkennen will, was man überhaupt messen kann, dann muß man sich in das Meßsystem begeben, welches sich relativ zur objektiven Realität in Ruhe befindet. Es reicht, wenn man nur Objekte mit konstanten Geschwindigkeiten betrachtet, denn ein beliebiges Objekt welches seine Geschwindigkeit beliebig ändern kann, kann lokal immer stückweise betrachtet werden wie ein Objekt welches sich mit einer konstanten Geschwindigkeit bewegt.

Die Gelben Linien stehen für die Geschwindigkeiten des Lichtes. Langsamere Geschwindigkeiten sind Geraden im Grünen Bereich, die durch den Schnittpunkt der gelben Linien gehen, wobei die Zukunft dunkelgrün dargestellt ist und die Vergangenheit hellgrün. Überlichtgeschwindigkeiten bilden Geraden im Blauen Bereich, die durch den Schnittpunkt der gelben Linien gehen, wobei die Zukunft dunkelblau dargestellt ist und die Vergangenheit hellblau. Die Schwarzen Linien, die durch den Schnittpunkt der gelben Linien gehen, sind der Bereich, in der Geschwindigkeiten zu groß werden. In der physikalischen Realität gibt es keine Geschwindigkeit, die so hoch ist, daß eine Gerade zur Beschreibung in diesen Bereich fällt. Wenn die Geschwindigkeiten beliebig nah an unendlich große Geschwindigkeiten herankommen dürfen, dann ist nur noch die Gleichzeitigkeit in der objektiven Realität schwarz zu zeichnen.

Wenn man das Bild im Meßsystem des Beobachters betrachtet, dann sieht das so aus:

Wie man hier sehen kann, bleibt bei allen Beobachtungen, in denen Unterlichtgeschwindigkeiten auftauchen, die Kausalität erhalten. Das ist der Dunkelgrüne und der Hellgrüne Bereich. Das gilt nicht für Überlichtgeschwindigkeiten. In einer ausgezeichneten Richtung ist es möglich, wenn die Geschwindigkeit nur groß genug ist, daß man in diesem Meßsystem die Zukunft mit der Vergangenheit verwechselt. Das gilt für alle Geraden, die unterhalb der waagerechten Roten Linie im Dunkelblauen Bereich beginnen und oberhalb der waagerechten Roten Linie im Hellblauen Bereich enden. Der Hellblaue Bereich ist in der objektiven Realität die Vergangenheit und der Dunkelblaue Bereich die Zukunft. Unterhalb der Roten waagerechten Linie ist in diesem Meßsystem die Vergangenheit und oberhalb dieser Linie die Zukunft. Dies gilt nur in dieser Ausnahmesituation, aber nicht allgemein.

Trotzdem finde ich in Veröffentlichungen immer wieder Aussagen, die mit Hilfe der Speziellen Relativitätstheorie gerechtfertigt werden, aber eindeutig falsch sind. Doch darüber werde ich einen eigenen Artikel schreiben.

Die konstante Beschleunigung

Das Prinzip in der Einsteinschen Theorie

Ich möchte untersuchen, ob die Theorie durch die Beobachtung der Realität ausreichend genug abgesichert ist, um feststellen zu können, daß die Lichtgeschwindigkeit von materiellen Körpern niemals erreicht, oder gar überschritten werden kann.

Man benutzt in der Speziellen Relativitätstheorie die konstante Beschleunigung. Dazu nimmt man ein konstantes Zeitintervall, in dem die Beschleunigung durchgeführt wird. Dabei kommt ein Objekt von einem Inertialsystem in ein anderes. Wenn man dann im neuen Meßsystem die Gleichzeitigkeit bestimmt, dann kann man dieses System wieder als ruhendes System betrachten, in dem man wieder für den gleichen Zeitabschnitt eine Beschleunigung durchführen kann. Wenn man sich die entsprechenden Übersetzungssysteme betrachtet, dann bekommt man eine Folge von solchen Übersetzungen:

 Die kurze blaue Linie steht immer für das Objekt, welches beschleunigt wird. Das Schwarze Koordinatensystem ist hier immer das Koordinatensystem, in dem die Beschleunigung beginnt und das rote Koordinatensystem das Koordinatensystem in dem die Beschleunigung endet. Wenn man weiter beschleunigt, dann kommt man von einem Bild zum nächsten. Da die Bilder völlig identisch sind kann man diesen Prozeß unendlich häufig durchführen. Die Lichtgeschwindigkeit erreicht man nie, denn man kann ein solches Meßsystem nur so lange erzeugen, wie man sich mit Unterlichtgeschwindigkeit bewegt.

Eine Analogie: Achilles Wettlauf mit der Schildkröte

Die konstante Beschleunigung ist aber eine mathematische Konstruktion. Sie hängt von der Wahl des benutzten Meßsystems ab und sagt nichts darüber aus, welche Beschleunigungen in der Wirklichkeit ausgeführt werden können.

Es gibt einen seit etwa 2000 Jahren bekannten Wettlauf von Achilles mit der Schildkröte. Dort wird etwas Ähnliches gemacht. Die Schildkröte bekommt einen Vorsprung von 1m. Der Wettlauf zwischen Achilles und der Schildkröte wird so beschrieben:

Achilles läuft so weit, bis er zu der Stelle kommt an dem die Schildkröte startete. Dafür benötigt er etwas Zeit. In dieser Zeit läuft die Schildkröte weiter. An dieser Stelle kann ich die Situation so betrachten, als ob ein neuer Wettlauf stattfindet mit den gleichen Startbedingungen. Der ganze Vorgang wiederholt sich immer wieder und Achilles kann die Schildkröte niemals einholen.

Wenn man das rein meßtechnisch betrachtet, dann muß man nach jedem Teilschritt die Zeit und die Entfernung neu definieren. Immer wenn Achilles an die Stelle kommt, an der die Schildkröte vorher war, hat die Schildkröte 1m Vorsprung. Die Zeit für jeden Teilschritt des Wettlaufs muß immer gleich lang definiert werden, beispielsweise 1s. Bei einem so aufgebauten Meßsystem kann Achilles die Schildkröte nie einholen.

Trotzdem! Achilles wird in der Realität die Schildkröte sehr schnell überholen. Aus einer solchen Konstruktion, in der sich ständig die Definition von Länge und Zeit ändert, kann man keine Rückschlüsse über die Realität machen!

Dasselbe Problem existiert in der Speziellen Relativitätstheorie für die konstante Beschleunigung. Während der Beschleunigung wird ständig die Definition von Raum und Zeit verändert. Deshalb bedeutet die konstante Beschleunigung nicht, daß die Lichtgeschwindigkeit eine allgemeine Grenzgeschwindigkeit ist, die nicht überschritten werden kann.

Beschleunigungen in der objektiven Realität

Woran kann man erkennen, welches Meßsystem die Physik korrekt wiedergibt? Auch in diesem Fall sind alle Übersetzungen korrekt. Nur die Objekte, welche von einem Inertialsystem in ein anderes wechseln, können Probleme bereiten. Man muß deshalb so genau wie möglich die Geschwindigkeit des Lichtes messen.

Kann man aber aus dem zuverlässigsten Meßsystem schließen, ob die Lichtgeschwindigkeit überschritten werden kann oder nicht? Nein. Man muß sich immer den physikalischen Prozeß der Beschleunigung betrachten. Wenn ich beispielsweise ein Auto anschiebe, dann ist die Kraftaufwendung für die Beschleunigung umso größer, je langsamer das Auto fährt. Erreicht dieses Auto meine Höchstgeschwindigkeit im Laufen, dann kann ich so viel Kraft einsetzen wie ich will, ich erhalte keinen Widerstand. Die maximale Geschwindigkeit, die man mit einer Beschleunigung erreichen kann, hängt immer von den physikalischen Eigenschaften des Motors ab, den man benutzt.

Ich weiß nicht, welche Methode der Beschleunigung in den Teilchenbeschleunigern benutzt wird. Dort wurde die bisher größte Geschwindigkeit von physikalischen Objekten erreicht. Es könnte aber trotzdem immer noch eine andere Methode geben, die effektiver ist, aber in einem Teilchenbeschleuniger nicht angewendet werden kann.

Ich möchte begründen, warum es eine Chance geben kann, die Lichtgeschwindigkeit zu überschreiten. Da ich nicht weiß, wie die Teilchenbeschleuniger funktionieren, denke ich mir selber eine Möglichkeit aus. Ich will Elektronen beschleunigen. Da sie negativ geladen sind, kann ein positives geladenes Kraftfeld das Elektron anziehen und ein negativ geladenes Kraftfeld das Elektron abstoßen. Damit ich das Elektron beliebig lang beschleunigen kann, leite ich es immer im Kreis herum. Damit keine Reibungseffekte das Elektron abbremsen, findet das Experiment im Vakuum statt. Entlang des Weges des Elektrons sorge ich mittels Kraftfeldern dafür, daß das Elektron beschleunigt wird. Solange das Elektron auf das Kraftfeld zufliegt. Ist das Kraftfeld positiv geladen. Das Kraftfeld zieht das Elektron an und beschleunigt es dabei. Jetzt habe ich aber ein Problem. Ich muß die Ladung des Kraftfeldes von Positiv nach Negativ verändern damit das Elektron nicht abgebremst, sondern weiter beschleunigt wird, wenn es am Kraftfeld vorbeigeflogen ist. Was passiert in dem sehr kurzen Zeitraum, in dem das Kraftfeld umgepolt wird? Es gibt einen sehr kurzen Zeitraum, in dem das Elektron nicht beschleunigt werden kann. Je näher das Elektron am Kraftfeld ist, desto größer ist die Beschleunigung. Wird das Elektron aber sehr schnell, dann ist der Bereich des Weges, in dem die Umschaltung des Kraftfeldes eine Rolle spielt, immer länger. Je höher die Geschwindigkeit des Elektrons wird, desto geringer wird die Beschleunigung. Das heißt: Wenn ich dieses Verfahren als Motor benutze, dann hat es irgendwo eine Leistungsgrenze die nicht überschritten werden kann.

Man hat meßtechnisch nachweisen können, daß sich Änderungen der magnetischen und elektrischen Kraftfelder mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten. Wenn für diesen Prozeß elektrische oder magnetische Kraftfelder benutzt werden, dann liegt die Leistungsgrenze des Motors in der Nähe der Lichtgeschwindigkeit.

Es gibt noch ein 2. Problem das dafür sorgen kann, daß dies in der Nähe der Lichtgeschwindigkeit liegt. Es liegt an der Bestimmung des genauen Zeitpunktes, an dem das Kraftfeld umgepolt wird. Ich muß während des Fluges immer wieder Messungen durchführen um festzustellen, wo sich das Elektron befindet. Würde ich diese Messung an dem Ort durchführen, an dem ich das Kraftfeld umpolen muß, dann würde aber immer noch eine kurze Zeit verstreichen, bis das Kraftfeld umgepolt wird. Je schneller das Elektron ist, desto weiter fliegt es, ohne daß das Kraftfeld umgepolt wird. In dieser Zeit würde aber der Geschwindigkeitsgewinn durch die Beschleunigung mittels Bremsung wieder rückgängig gemacht. Lege ich den Ort der Messung nicht an den Ort der Umpolung, sondern vorher, dann muß ich auch noch die Geschwindigkeit messen und berechnen, wann das Elektron den Ort erreicht, an dem das Kraftfeld umgepolt wird. Das Ergebnis der Berechnung hängt aber von der Theorie ab, die ich benutze. Benutze ich die falsche Theorie, dann findet die Umpolung zum falschen Zeitpunkt statt. Wenn ich diesen Zeitpunkt exakt berechnen könnte und die Leistungsgrenze meines Beschleunigers läge dann bei einer Geschwindigkeit, die größer als die Geschwindigkeit des Lichtes ist, dann würde die Benutzung der falschen Theorie dafür sorgen, daß die Fehler in der Nähe der Lichtgeschwindigkeit besonders groß werden, wenn man die Formeln der Relativitätstheorie benutzt. Deshalb wäre dann die Leistungsgrenze des Motors in der Nähe der Lichtgeschwindigkeit.

Vielleicht hat man die tatsächliche Höchstgeschwindigkeit von physikalischen Objekten erreicht, vielleicht auch nicht. Eine Theorie, die zum Aufbau eines Meßsystems konstruiert wurde, kann eine solche Frage nicht klären. Sie orientiert sich an Meßsystemen, aber nicht an der objektiven Realität. Oder anders ausgedrückt, sie orientiert sich an der Beobachtung, aber nicht an der Handlung. Deshalb sollte die Frage, ob man jemals die absolute Höchstgeschwindigkeit erreichen kann, offen bleiben. Wenn man sich einmal festlegt, dann kann das dazu führen, daß man niemals versucht, diese Geschwindigkeit zu überschreiten. Die wissenschaftliche Entwicklung bleibt dann an diesem Punkte stehen. Ich muß allerdings zugeben, daß sehr viel dafür spricht, daß wir in die Nähe der tatsächlichen Höchstgeschwindigkeit von physikalischen Objekten angekommen sind. Nur die Experimente, die für Wellenerscheinungen unter besonderen Bedingungen für Geschwindigkeiten sorgten, die bei Messungen zu einer bis zu 4,7-fachen Lichtgeschwindigkeit führten, läßt vermuten, daß es vielleicht doch noch eine Möglichkeit gibt, die bisherige Höchstgeschwindigkeit von physikalischen Objekten zu überschreiten, wenn man die Mechanismen verstanden hat, die zu der bis zu 4,7-fachen Lichtgeschwindigkeit führten.

Außerdem hat mir mein Bruder vor kurzer Zeit erzählt, daß in Cern bei einem Experiment ein Teilchen entstanden sein soll, das sich mit Überlichtgeschwindigkeit bewegt hat. Jetzt will man untersuchen, ob sich das Experiment wiederholen läßt, oder ob es nur ein Meßfehler war.

Herzliche Grüße von Bernhard Deutsch

2 Comments - Leave a comment
  1. this post is quoted by Die Zeit der Atomuhr | INFOZENTRALE sagt:

    […] unter Beachtung der 2. Und 3. Schwachstelle der Relativitätstheorie, die ich im Blogartikel „Die Raum-Zeit“ beschrieben habe. Diese Uhr ist dann nach der korrekten Theorie der ideale Zeitmesser. Wenn […]

  2. this post is quoted by Gibt es Überlichtgeschwindigkeit? | INFOZENTRALE sagt:

    […] ich in dem Artikel „Die Raum-Zeit“ gezeigt habe, kann bei Lichtgeschwindigkeit und bei Überlichtgeschwindigkeit keine relative […]

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Hier sind die Links zu der von mir bevorzugten Literatur.

Ein Buch, das sich mit Irrtümern auseinandersetzt:
Die 1000 Irrtümer der Allgemeinbildung

Ein paar Bücher, die sich mit der Medizin auseinander setzen:
Die Krankheitserfinder
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Die Bank als Räuber

Das Buch wurde bereits 1958 geschrieben und ist immer noch aktuell. Ich habe das Buch gekauft, weil es mir empfohlen wurde. Ich habe 3 Tage gebraucht um es zu lesen. Ich habe sogar Alpträume davon bekommen. Der Teufel will die Menschheit vernichten. Dafür braucht er immer wieder neue Helfer. Und die will er von seinem Können überzeugen. Ein kleiner Auszug aus dem Inhaltsverzeichnis:
Bericht des Stinkteufels über die Verpestung der Atemluft
Referat über die Verseuchung der Gewässer
Erkrankung und Entartung durch Feinkost
Bericht des Karstteufels über die Zerstörung des Waldes
Der Kampf gegen den Geist
Erfolgsbilanz des Medizinteufels
Referat über Fremdstoffe und Gift in der Nahrung
Bericht des Atomteufels
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Hier der Link zum Buch:
Der Tanz mit dem Teufel

Ein mathematisches Buch, welches sich mit Paradoxien auseinandersetzt darf natürlich nicht fehlen:
Buch ohne Titel

Geistige Gespräche aus dem antiken Griechenland, bei dem man den anderen immer wieder zum lügen bringt. Auch wenn er nur die Wahrheit sagen will:
Sokrates ist nicht Sokrates

Während meines Studiums gab es 2 Autoren, die ich ganz besonders mochte. Der eine war Paul Watzlawick. Ich bin auf Ihn aufmerksam geworden durch das Buch "Wie wirklich ist die Wirklichkeit?" Es hat mir so gefallen, daß ich alle Bücher, die ich von ihm finden konnte, gelesen habe. Es sind Bücher, die sich mit der Psychologie der Menschen auseinandersetzen. Man kann dort viel über sich selbst lernen.
Folgende Bücher habe ich gelesen:
Wie wirklich ist die Wirklichkeit?
Anleitung zum Unglücklichsein
Menschliche Kommunikation
Lösungen

Ich habe verschiedene Bücher von Vera F. Birkenbihl gelesen. Allerdings kann ich mich nicht mehr an viele Titel erinnern. Ein Buch ist bei der Recherche der Rezensionen nicht durchgefallen:
Kommunikationstraining


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