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In der Relativitätstheorie gibt es das Relativitätsprinzip: „Die Naturgesetze nehmen in allen Inertialsystemen die gleiche Form an.“ Da dieses Relativitätsprinzip sehr spekulativ ist, muß es in jedem Fall untersucht werden. Die Überprüfung ist aber sehr problematisch, da die meisten Experimente nur bei sehr kleinen Geschwindigkeiten durchgeführt werden können. In diesem Fall können die experimentellen Ungenauigkeiten sehr leicht größer als die relativistischen Fehler werden.

Das gilt auch dann, wenn Licht durch Materie geht, wie beispielsweise Gas, Wasser oder Glas. Aber in diesem Fall gibt es eine Möglichkeit, das Relativitätsprinzip zu überprüfen, denn es gibt Experimente, bei denen Licht, das durch Materie gegangen ist, die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum überschreitet. Ich möchte hier zeigen, wie das geht.

Die Genauen Berechnungen finden Sie bei den Ergänzungen.

Der Ausgangspunkt für die Berechnungen

Der Ausgangspunkt für die physikalischen Gesetze muß immer I⁰ sein, das Inertialsystem, in dem die relative Gleichzeitigkeit mit der absoluten Gleichzeitigkeit identisch ist. Wenn die Barriere, die das Licht durchdringen kann in I⁰ ruht, dann muß die Lichtgeschwindigkeit innerhalb der Barriere unabhängig von der Richtung immer =γ⁰(B) sein. Die Geschwindigkeit hängt nur von der Barriere ab.

Was man an dieser Stelle braucht, ist aber eine andere Überlegung. Mit welcher Geschwindigkeit durchdringt das Licht die Barriere, wenn sich die Barriere in I⁰ bewegt und der Winkel zwischen der Bewegungsrichtung der Barriere und der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum den Winkel φ⁰ hat. Dafür gibt es keinen Anhaltspunkt.

An dieser Stelle kommt das Relativitätsprinzip ins Spiel. Es wird angenommen, daß die Naturgesetze in allen Inertialsystemen die gleiche Form annehmen. Also gilt folgendes:

Wenn eine Barriere in Iⁿ ruht, dann ist die Lichtgeschwindigkeit innerhalb der Barriere unabhängig von der Richtung immer gleich γⁿ(B) sein. Die Geschwindigkeit hängt nur von der Barriere ab.

Die Strategie der Berechnung

In I⁰ wird das Koordinatensystem so geeicht, daß sich die Barriere in x-Richtung mit der Geschwindigkeit v bewegt. Dann beschreibt man die Bewegung des Lichts in I⁰. Diese Geschwindigkeit wird übersetzt in das Inertialsystem, in dem die Barriere ruht. Dort braucht man die Geschwindigkeit nur mit γⁿ(B) zu multiplizieren, um die Geschwindigkeit des Lichts in der Barriere zu erhalten. Das Ergebnis wird dann wieder zurückübersetzt nach I⁰.

Zusätzliche Einschränkungen

Es ist unbefriedigend, daß die Geschwindigkeit des Lichts durch die Barriere in dem Inertialsystem, in dem die Barriere ruht, von der Geschwindigkeit abhängen kann, mit der sich die Barriere bewegt. Deshalb suche ich mir für die nächste Überlegung 2 Inertialsysteme Iⁿ und I^m aus mit γⁿ(B)≠γ^m(B). Es gibt dann immer ein Inertialsystem I^o mit der Eigenschaft, daß in I^o die Inertialsysteme Iⁿ und I^m die gleiche Geschwindigkeit in entgegengesetzten Richtungen haben. In dem Fall würde die Lichtgeschwindigkeit innerhalb der bewegten Barriere bei gleichem Winkel φ^o richtungsabhängig sein. Aber in I⁰ wäre sie nicht richtungsabhängig. Das würde dem Relativitätsprinzip widersprechen. Deshalb muß die Lichtgeschwindigkeit innerhalb der Barriere auch in allen Inertialsystemen den Gleichen Wert haben, wenn die Barriere in dem Inertialsystem ruht.

Das bedeutet, wenn es in einem Inertialsystem eine ruhende Barriere gibt, bei dem die gemessene Lichtgeschwindigkeit 1,7 mal so groß ist wie die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum, dann ist in allen Inertialsystemen, in denen die Barriere ruht, die Lichtgeschwindigkeit innerhalb der Barriere das 1,7-fache der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum.

In der deutschen Ausgabe von Spektrum der Wissenschaft vom Oktober 1993 steht auf Seite 40 ein Artikel mit der Überschrift „Schneller als Licht?“. Dort wird ein Experiment beschrieben, in dem die 1,7-fache Lichtgeschwindigkeit des Vakuums bei Photonen gemessen wurde, die eine Barriere durchdrungen haben. Photonen gehören zu den sogenannten Lichtteilchen.

Zeitreise in I⁰

Ich möchte Sie an meinen Artikel „Gibt es Überlichtgeschwindigkeit?“ oder „Die Raum-Zeit“ erinnern. Dort habe ich eine besondere Graphik dargestellt:

Dies zeigt die möglichen Geschwindigkeiten in einem bewegten Inertialsystem. Das sind alle Geraden im Blauen, gelben oder grünen Bereich, die durch den Schnittpunkt der gelben Linien gehen. Wenn die Geschwindigkeit eines Objekts, welches sich mit Überlichtgeschwindigkeit bewegt, multipliziert mit der Geschwindigkeit des Inertialsystems in I⁰ >c² ist und sich das Inertialsystem und das Objekt in die gleiche Richtung bewegen, Dann würde in diesem Inertialsystem die Gerade unterhalb der waagerechten roten Linie im dunkelblauen Bereich beginnen und oberhalb der waagerechten Roten Linie im hellblauen Bereich enden. Unterhalb der roten waagerechten Roten Linie ist die Vergangenheit des bewegten Inertialsystems und oberhalb der roten Waagerechten Linie ist die Zukunft. In I⁰ ist aber der hellblaue Bereich die Vergangenheit und der dunkelblaue Bereich die Zukunft.

Zukunft und Vergangenheit werden in diesen Inertialsystemen unterschiedlich wahrgenommen.

Wenn sich das Licht innerhalb der Barriere in Iⁿ in allen Richtungen mit der gleichen Überlichtgeschwindigkeit bewegt. Dann zeigt dieses Bild die Geschwindigkeit des Lichts innerhalb einer bewegten Barriere in I⁰. Deshalb muß es Barrieren geben, die sich langsamer als mit Lichtgeschwindigkeit bewegen, bei denen das Licht aus der Zukunft in die Vergangenheit geht. Dies gilt unter den Bedingungen der absoluten Gleichzeitigkeit. Das ist physikalisch unmöglich.

Die Bedeutung für das Relativitätsprinzip

Ohne das Relativitätsprinzip konnte ich nicht beurteilen, welche Geschwindigkeit das Licht in einer bewegten Barriere hat. Nur dank des Relativitätsprinzips kam ich überhaupt zu einem Ergebnis. Durch die Messung von Überlichtgeschwindigkeiten erhalte ich aber ein unmögliches physikalisches Ergebnis in I⁰. Also muß das Relativitätsprinzip falsch sein. Die Berechnung hätte ich nicht durchführen dürfen.

Die Physik eines Phänomens hängt aber nicht vom Material ab. Bei bestimmten Materialen kann man es anwenden und bei anderen nicht. Deshalb muß das Relativitätsprinzip auch dann falsch sein, wenn das Licht die Barriere mit einer Geschwindigkeit durchdringt, die kleiner als die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum ist. Es kann grundsätzlich nicht angewendet werden.

Experimentelle Bestätigungen

Der Versuch von Fizeau

Durch ein Rohr wird eine Flüssigkeit oder ein Gas mit einer bestimmten Geschwindigkeit hindurchgeleitet. Von einer Lichtquelle wird Licht ausgesendet, welches mittels eines halbdurchlässigen Spiegels aufgespaltet wird. Mittels verschiedener Spiegel werden die beiden Anteile des Lichts entlang eines Rechtecks einmal im Uhrzeigersinn und einmal im Gegenuhrzeigersinn weitergeleitet. Unterwegs wird es aber durch das Rohr geleitet. Kommt das Licht wieder an den halbdurchlässigen Spiegel, dann dringt ein Teil hindurch und ein Teil wird reflektiert. Auf der Platte bildet sich dann ein Interferenzmuster.

Dieses Experiment wurde erdacht um festzustellen, in welchem Maße das Licht von der Materie mitgenommen wird.

Ich habe die ganze deutschsprachige Literatur in der Unibibliothek nach den Meßergebnissen durchsucht. Das Experiment wurde nur mit Luft oder mit Wasser durchgeführt. Beim Wasser gab es nur eine einzige Versuchsanordnung. Die Länge der Rohre betrug 1,5 m und die Geschwindigkeit des Wassers war 7 ^m/_s. Die Wellenlänge des Lichts war 5,3*10^-7 m.

Unter diesen Bedingungen wurde eine Interferenzverschiebung von 0,23 gemessen, die theoretische Berechnung lieferte den Wert 0,203.

Zwischen Messung und Theorie ist eine Abweichung größer als 10 % vorhanden.

Das ist keine exakte Lösung, aber eine Näherungslösung. Für kleine Geschwindigkeiten kann das Relativitätsprinzip verwendet werden, aber für große Geschwindigkeiten ist es Unsinn.

Die Atomuhr

Es ist sehr bedauerlich, daß ich keine weiteren Experimente finden konnte, denn die Atomuhr ist das genaueste Zeitmeßinstrument, welches wir kennen. Für die Zeitmessung der Atomuhr werden diese Eigenschaften dringend gebraucht. Das kann man erkennen, wenn man sich die Funktionsweise der Atomuhr etwas genauer betrachtet:

Ein Signal wird mit einer bestimmten Frequenz durch eine Wanne mit Cäsiumatomen geleitet. Wenn die Frequenz des Signals gleich die Eigenschwingungsfrequenz der Cäsiumatome ist, dann wird die Energie des Signals absorbiert. Der Empfänger auf der anderen Seite der Wanne nimmt die Stärke des Signals auf. Sollte die Frequenz des Senders von der Eigenschwingungsfrequenz abweichen, dann wird ein Kontrollsignal an den Sender geschickt, der den Fehler korrigiert. Durch diese Prozedur hat der Sender immer eine bestimmte konstante Frequenz. Man kann die Wellentäler und Wellenberge zählen und der ganze Apparat funktioniert dann als Uhr.

Hier wird ein Signal für die Zeitmessung nicht durchs Vakuum geschickt. Ist die Geschwindigkeit der Uhr in I⁰ gleich 0, dann ist die Geschwindigkeit des Lichts innerhalb der Wanne mit Cäsiumatomen unabhängig von der Richtung. Durch die Bewegung werden die Cäsiumatome aus der Ruhelage gebracht und verschoben, bis der Druck auf der einen Seite größer ist als auf der anderen und sie deshalb wieder zurück schwingen. Wie weit die Verschiebung der Cäsium-Atome aus der Ruhelage ist, kann von der Geschwindigkeit des Lichts innerhalb der Wanne der Cäsiumatome abhängen. Dann würde auch die Eigenschwingungsfrequenz von der Lichtgeschwindigkeit abhängen. Das könnte sogar dazu führen, daß die Zeitmessung der Atomuhr in der Bewegung von der Richtung abhängen kann, in die sich das Licht durch die Cäsiumatome bewegt.

Der Glaube daran, daß die Naturgesetze in allen Inertialsystemen die gleiche Form annehmen, sorgt auch dafür, daß die Meßungenauigkeit der Atomuhr in der Bewegung nicht genau genug untersucht wird. Ich werde ihnen noch zeigen, daß gerade die Atomuhr keine relativistisch exakte Zeit anzeigt, obwohl die Anhänger der Relativitätstheorie anderer Ansicht sind. Dies wäre inzwischen experimentell bestätigt worden. Der Beweis hatte aber nur aus einem Grund funktioniert. Man hat vergessen, einen physikalischen Effekt auszuwerten.

Aber das zeige ich Ihnen in einem anderen Artikel.

Herzliche Grüße von Bernhard Deutsch