Physiker und Philosoph 


Relativitätstheorie für Jedermann

Wussten Sie, dass Sie an der Käse-Theke Ihres Supermarktes 3 Newton Edamer statt 300 Gramm verlangen müssten? Und wussten Sie, dass dies etwas mit den Grundlagen der Einstein'schen Relativitätstheorie zu tun hat? Wenn nicht, dann finden Sie hier eine für Jedermann verständliche Einführung in die Relativitätstheorie. 130 Seiten mit 98 Abbildungen und so wenig wie möglich Mathematik. Gut geeignet für Schüler, Studenten und für jeden Interessierten, weil trotz einfacher und anschaulicher Beschreibungen die fachliche Exaktheit und Tiefe erhalten wurde. Das Manuskript ist auch als pdf-Dokument in die Software "Pro Learning" integriert.

 

Dieses Manuskript wurde im Rahmen des Wissenschaftlichen Studenten-Wettstreites an der Pädagogischen Hochschule Erfurt im März 1982 erstellt und im Herbst 2000 inhaltlich, textlich und grafisch überarbeitet. Auf der Basis des Wissensniveaus der Realschule wird mit möglichst wenig Formalismus eine Einführung in die Spezielle und Allgemeine Relativitätstheorie Albert Einsteins gegeben.


 

Nachhaltiger Nahverkehrt - Ideen für die Welt von morgen

Im Rahmen der Messe InnoTrans 2010 in Berlin überreichte VDV-Präsident Jürgen Fenske Bundesverkehrsminister Dr. Peter Ramsauer das Buch „Nachhaltiger Nahverkehr“, das mit Unterstützung des Bundesministeriums für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung u.a. von der STUVA e.V. erstellt wurde.

von rechts nach links: Bundesverkehrsminister Dr. Peter Ramsauer, VDV-Vizepräsident Prof. Knut Ringat, VDV-Präsident Jürgen Fenkse 

Dieses Buch stellt erstmalig das ganze Spektrum der Umwelt- und Klimaschutzmaßnahmen im ÖPNV dar: Von der Planung über den Bau und die Fahrzeuge bis zum Betrieb der Verkehrsanlagen sowie von Gebäuden und technischen Anlagen. Zahlreiche Anwendungsbeispiele geben Anregungen: zur Umsetzung umweltschonender und energieeffizienter Maßnahmen bei neuen Projekten, der Überarbeitung bestehender Anlagen sowie für Forschung und Lehre. Für den Band 2 dieser Publikation habe ich die Beiträge geschrieben, die sich thematisch von den derzeitigen Umwelt- und Klimaschutzproblemen über reale und prognostizierte Auswirkungen bis hin zu den Zielen und grundsätzlichen Wegen zur Problemlösung erstrecken (Kap.10 und 11).

Alba-Verlag, 1. Auflage, Softcover,
Format 20,5 x 22 cm, 870 Seiten,
Wegen des hohen Umfangs in zwei Bänden
Alle Texte in Deutsch und Englisch
ISBN 978-3-87094-686-9


EU-Projekt "Urban Track"

Als Mitarbeiter der STUVA (Studiengesellschaft für unterirdische Verkehrsanlagen) im Bereich Verkehr und Umwelt habe ich nicht nur bei der Erforschung der Ursachen des Kurven-Quietschens von Straßenbahnen mitgewirkt (wo es durch Aufnahme von elektrotechnischen Messreihen mit Millionen von Einzeldaten um die Darstellung funktionaler Zusammenhänge zwischen Schalldruckpegeln und den Umgebungsbedingungen, unter denen diese entstanden sind, ging), sondern auch am EU-Projekt "Urban Track", in dem die Dauerhaltbarkeit von in Straßen eingebetteten Gleisen untersucht wurde.


Philosophische Überlegungen in der Physik

Am Beginn aller physikalischen Betrachtungen steht eine in sich konsistente objektive Realität, die zunächst in einzelnen Bildern beschrieben wird, welche sich anfänglich ganz legitim auf einen Phänomenalismus stützen dürfen. Aber zunehmend tiefere Erkenntnis führt dann in der Folge zu höheren Abstraktionsebenen, auf denen Einzelbilder in Bezug zueinander gesetzt werden und damit der Verzicht auf die sinnlich unmittelbar gegebenen Phänomene immer deutlicher wird, womit eine fortschreitende Loslösung vom Problem individueller psychologischer Wahrnehmungsfaktoren verbunden ist.

Auf diesen Abstraktionsebenen ergeben sich Zusammenhänge, zu deren Beschreibung frei erfundene Grundbegriffe verwendet werden, die sich - linguistisch / anschaulich möglichst präzise und treffend - nicht zwingend aus Sinneswahrnehmungen ableiten lassen müssen. Das mit ihrer Hilfe umschriebene Weltbild bleibt aber Projektion objektiv-realer Naturvorgänge, denn die Richtigkeit seiner hypothetischen Ableitungen muss auf Basis der Phänomenologie (also im Experiment) nachgewiesen werden. Doch es entsteht die Notwendigkeit, Definition und Inhalt dieser frei erfundenen Begriffe ständig zu überprüfen, denn ihre Umfänglichkeit und Tiefe hängen vom sich weiter entwickelnden menschlichen Erkenntnisvermögen ab.

Ein Beispiel aus der Mechanik:

Der Begriff "Masse" ist eine der o.g. frei erfundenen Wortschöpfungen. Er wird umgangssprachlich (fälschlicherweise) oft zur Benennung einer größeren Menge verwendet, ist aber in der Physik der Name einer nicht aus der Phänomenologie ableitbaren Größe (bestehend aus Mantisse, Zehnerpotenz und Einheit), mit deren Hilfe die eigentlich sinnlich wahrnehmbaren Eigenschaften der Körper, hier nämlich die, träge und schwer zu sein, quantifiziert werden sollen. In der Natur gibt es keine Masse, diese physikalische Größe ist ein menschliches Abstraktum. Objektiv-real dagegen sind die tatsächlich beobachtbaren Eigenschaften der "Trägheit" und der "Schwere" mechanischer Körper. Erst auf den nachfolgenden Abstraktionsebenen, auf denen später mit dem Begriff der Masse weitergearbeitet wird, ergeben sich dann Zusammenhänge, die ihrerseits wieder der phänomenologischen Überprüfung bedürfen. (Insoweit ist es beispielsweise falsch, einen auf einer Orbitalbahn im Kräftegleichgewicht befindlichen Körper als "schwerelos" zu bezeichnen. Er ist höchstens "gewichtslos" (falls das von Interesse ist), hat aber in diesem Zustand seine gravitativen Eigenschaft keineswegs verloren.)

Insofern lassen sich Theorien nur über sinnliche Erlebnisse begründen, sich in ihrer Fortentwicklung nur mit Hilfe frei erfundener Begriffe darstellen und sich nur durch Übereinstimmung ihrer Prognosen mit Wahrnehmungen der Realität verifizieren (Erfahrung --> Hypothese --> Experiment - in der Reihenfolge!). Genau in dieser Kombination liegt eine erkenntnistheoretische Quelle, denn eine - wie oben erwähnt - mit dem menschlichen Erkenntnisprozess fortlaufende Präzisierung der verwendeten Begriffe führt in dem Beispiel aus der Mechanik zu folgender Einsicht:

Nimmt man das soeben verwendete Wort "Schwere", dann wird deutlich, dass selbst dieser Begriff abstrahiert ist, d.h. der Beschreibung zweier unterschiedlicher Phänomene dient: Zumächst lässt sich sinnlich lediglich wahrnehmen, dass Körper auf äußere Gravitationsfelder empfindlich reagieren, d.h. von ihnen "angezogen" werden. Eine zweite Komponente besteht hierbei  jedoch darin, dass mit der Eigenschaft der Schwere auch die Fähigkeit eines Körpers, ein eigenes Gravitationsfeld hervorzubringen, beschrieben wird. Beide Elemente sind in Newtons Gravitationsgesetz zusammengefasst, ohne auf ihre kausale oder identitäre Verknüpfung hinterfragt worden zu sein. Das bisher beobachtete, ausschließlich gemeinsame Auftreten beider Komponenten hätte nun beinahe dazu geführt, die folgenden Fragen nicht zu stellen:

1. Kann man sich beides, d.h. die Empfindlichkeit gegenüber "fremden" Gravitationsfeldern bzw. die Fähigkeit, ein "eigenes" Gravitationsfeld hervorzubringen, einzeln und (kausal, räumlich, zeitlich) getrennt voneinander vorstellen?

2. Könnte es energetische Zustände von Raumzeitbereichen geben, innerhalb derer ohne die Präsenz stofflicher Quellen der eine oder der andere gravitative Effekt beobachtbar würden?

Wenn man sich hier von einer nur phänomenologischen Sichtweise löst, kann man z.B. Begriffe wie "aktive schwere Masse" bzw. "passive schwere Masse" setzen, diese im Fortgang auf Äquivalenz hin untersuchen und mögliche Folgerungen im Experiment überprüfen.

Vor dem Hintergrund des eingangs zugrunde gelegten Disputs zwischen Ernst Mach und Max Planck erweist sich nun Albert Einsteins diesbezügliche Zusammenfassung als sehr hilfreich:

"Er [der Physiker] muss dann dem systematischen Erkenntnistheoretiker als eine Art skrupelloser Opportunist erscheinen: Er erscheint als Realist insofern,als er eine von den Akten der Wahrnehmung unabhängige Welt darzustellen sucht; als Idealist insofern, als er die Begriffe und Theorien als freie Erfindungen des menschlichen Geistes ansieht (nicht logisch ableitbar aus dem empirisch Gegebenen); als Positivist insofern, als er seine Begriffe und Theorien nur insoweit für begründet ansieht, als sie eine logische Darstellung von Beziehungen zwischen sinnlichen Erlebnissen liefern. Er kann sogar als Platoniker oder Pythagoreer erscheinen, insofern er den Gesichtspunkt der logischen Einfachheit als unentbehrliches Werkzeug seines Forschens betrachtet." [Scheibe, Die Philosophie der Physiker, Verlag C.H.Beck ohG, München 2006, S.19]

Nehmen wir also das Kriterium der logischen Einfachheit hinzu und beantworten wir die zwei oben formulierten Fragen spekulativerweise positiv, so ergeben sich erstaunliche Sichtweisen, beispielsweise zu folgenden zwei kosmologischen Aspekten:

a) hypothetische "dunkle Energie"

b) Expansion des Universums

Dazu habe ich die folgenden Gedanken zusammengestellt:

Kosmologische Rotverschiebung ist kein Indiz für zunehmende Expansiongeschwindigkeit, sondern das Ergebnis gravitativer Rotverschiebung innerhalb metrischer Schwankungen des Vakuums. Dann muss man auch nicht mehr nach "dunkler Energie" suchen. Diese ist nichts anderes als die Vakuum-Energie selbst. Dazu kann man eine Vorstellung entwickeln, die es ermöglicht, die Existenz von Elementarteilchen nicht a priori zu postulieren, sondern (über zwar vermutlich extrem komplizierte 4-dimensionale, transversale oder logitudinale Wellen entlang metrisch gekrümmter Geodäten, aber so wie es Einstein forderte) - herzuleiten.
Damit beheben wir auch die philosophischen Probleme der Urknall-Vorstellung. Die Singularitäten, die sich aus den Lösungen der Einsteinschen Gleichungen ergeben, sind Abstrakta. Falls sich das Universum mal in einem dimensionslosen mathematischen Punkt befunden haben sollte ;-)), dann konnte es nicht explodieren, weil in einem dimensionslosen Punkt keinerlei Wechselwirkungen stattfinden können, die diesen Urknall hätten auslösen können. Und wenn wir schon hierbei am Kausalitätsprinzip zweifeln wollen, dann können wir aufhören, Physik zu betreiben...
Im Kosmologischen gehe ich von eine zufälligen raumzeitlichen Verteilung der Galaxien aus und von einem chaotischen Bewegungsablauf (ähnlich der Brownschen Bewegung in Boltzmanns kinetischer Gastheorie).

Aus meiner Analyse der Auseinandersetzung zwischen dem rein empirischen, auf Wahrnehmungspsychologie reduziertem Positivismus einerseits und einer darüber hinausgehenden Metaphysik mit rein menschlich-subjektiven Begriffsbildungen, die ihrerseits aber den Rückschluss auf das bestätigende Experiment mit seiner messtechnisch determinierten Empirie benötigt andererseits - Ernst Mach vs. Max Planck, siehe oben - bleibt die Erkenntnis, dass alle Versuche von Quantifizierungen (egal, ob sie Raum, Zeit oder Materie betreffen) Fehlinterpretationen aus unserer Messtechnik sind. Wohlgemerkt: Die Ergebnisse solcher Experimente sind nicht falsch (Ich bin kein Positivist!), sondern stellen ein Bild dar, als hätten wir Menschen unseren Blick auf den Mikrokosmos durch ein mehr oder weniger enges Maschennetz geworfen. Natürlich gibt es Atome, es sind (wellenmathematisch abzuleitende) Konstruktionen aus Elementarteilchen. Natürlich gibt es Elementarteilchen, es sind (wellenmathematisch abzuleitende) Schwankungen der Raumdichte und Zeitflussschnelligkeit des oben eingeführten Energiekontinuums (Vakuum).

Aber man benötigt nun Definitionen der Begriffe "Zeitfluss-Schnelligkeit" und "Raum-Dichte". Darauf gehe ich weiter unten gleich nochmal ein. Zunächst der Versuch eines Abbildes dieser Vorstellung:
Dies sei eine, sich wellenartig im Energiekontiuum ausbreitende Schwankung der Raumdichte(einhergehend mit metrischer Krümmung) und der jeweils dazu gehörenden Zeitflussschnelligkeit. Ein jeder Weltpunkt hat dabei seine eigenen Werte. Wenn diese Elongationen einen bestimmten Schwellwert übersteigen, werden sie als Elementarteilchen wahrnehmbar.

Die virtuellen Elementarteilchen sind nun nach Heißenbergscher Unschärfe mit Elongationen unterhalb des Schwellwertes gegeben und stellen das dar, was man heute als Überträger der Wechselwirkung in unseren Feld-Modellen bezeichnet.
Will man nun aus mehreren derart hergeleiteten Elementarteilchen ein Atom beschreiben, wird natürlich auch deutlich, wie schnell die Wellengleichungen für die zugrundeliegenden Schwankungen im Energiekontinuum (womöglich als "Durcheinander" transversaler, longitudinaler oder quadrupolarer Wellen) extrem schwierig werden dürften.

Nun zu den Begriffen der "Raum-Dichte" und "Zeitfluss-Schnelligkeit":

"Dichte" bezieht sich auf ein Volumen, also auf den Raum. Eine "Raum-Dichte" ist dann das Verhältnis von V/V0, wobei V das zu betrachtende Volumenstück ist und V0 ein Theoretikum, nämlich ein (Kubus) Raum ohne jegliche Energieschwankung. Wir gehen also von einer - wie auch immer gearteten - Normierung physikalischer Eigenschaften eines realen Weltpunktes zu denen eines abstrakten Vergleichsnormals aus.
(Der verständliche Wunsch Einsteins, eine kräftefreie Physik zu entwerfen, führt ja zu einem Abstrusum: Wenn man die Umlaufbahn eines Erdsatelliten nicht im Kräftegleichgewicht zwischen Gravitation und Zentrifugalkraft beschreiben möchte (wie Newton es getan hätte), dann spricht man nach ART davon, dieser Satellit würde eine reine Trägheitsbewegung ausführen und das Gravitationsfeld der Erde hätte den Raum soweit gekrümmt, dass die Geodäte, der der Satellit folgt, um die Erde herum führt. Da ein schnellerer Satellit auf dieser Bahn aber der Erde entweichen würde, bedeutet dies, dass diese Geodäte, also angebliche "Groß-Metrik" des erdnahen Orbits hauptsächlich von Relativgeschwindigkeiten abhängig ist und nur geringfügigst vom Gravitationspotential. Dies verletzt das starke Äquivalenzprinzip der ART.

Das Gleiche bei der "Zeitfluss-Schnelligkeit": Schnelligkeit als Begriff macht nur Sinn unter Bezug auf eine Bewegung. Wir definieren damit das Verhältnis T/T0, wobei T die im Energiekontinuum am Weltpunkt P tatsächlich vorgefundene Zeitdauer ist, die vergeht, während derer in unserem Theoretikum T0 ein - wie auch immer normierter - Bewegungsablauf beginnt und endet (Uhr).

Wenn wir diese Theoretika zur Grundlage machen, haben sich Zeitdilatation und Längenkontraktion erübrigt.

Kritik an der Mathematik:
In Überwindung der Absolut-Vorstellungen Newtons ist eine kontinuierliche RT entstanden, jedoch wird in der modernen Physik selbst beim Versuch der Quantifizierungen (Blick durch das messtechnisch immer enger werdende Maschennetz) immer noch mit der Infinitesimalrechnung gearbeitet und wir vergessen offenbar, auf der Suche nach dem Grenzwert von Differenzenquotienten wirklich bis an die Grenzen zu gehen. Weil die Vorstellung vom Unendlichen (hier: dem unendlich Kleinen) so schwer ist, hören wir auf der Suche nach dem Limes gedanklich vorher auf und landen - folgerichtig im Maschennetz.
Und der Zusammenhang zwischen Quantentheorien und messtechnisch begründeten Erkenntnisgrenzen zeigt sich deutlich: Wir erkannten die Atome und als die Experimentalphysik genauer wurde, erkannten wir die Elementarteilchen - seitdem immer mehr von ihnen. Und als die Messtechnik noch genauer wurde, erkannten wir Quarks. Das Maschennetz wurde immer enger, der Versuch, je einer "Erkenntnis-Masche" ein Quant zuzuordnen (Das ist symbolisch gemeint.), hörte aber seitdem nicht auf.

Wir sollten begreifen, dass dies ein wahrnehmungspsychologischer Fehlblick ist. Und von diesen gibt es in der Physik genug - siehe die oben erwähnte kosmologische  Rotverschiebung.
Wenn es eine nicht behebbare Relativität der Zeit gäbe, könnte man auch nicht andererseits eine globale Weltzeit definieren, die aber notwendig ist, um eine Aussage zu treffen, wie "Der Urknall war vor 13,8 Mrd. Jahren.".

Vorteile dieses Denk-Modells:
- Die Masse der Teilchen ist die am Weltpunkt vorgefundene (verdichtete) Vakuum-Energie, die Ursache der Gravitation auf diesem Weg über Energie-Geichverteilung oder Dämpfung der mikro-kosmischen Raumzeitwellen zu erklären. Daneben lässt sich - statt mit Dämpfung - mit Resonanz auch über Anti-Gravitation nachdenken und die energetische Manipulation des Raumzeit-Kontiuums eröffnet die Möglichkeit, sich Gravitation/Anti-Gravitation auch ohne Anwesenheit stofflicher Materie vorzustellen. Darüber hinaus könnte stoffliche Materie als Ergebnis einer künstlichen ortsgebundenen Verdichtung aus dem Vakuum heraus generiert werden. Das deckt sich mit der von mir vermuteten Notwendigkeit der Trennung des Begriffs der schweren Masse in eine aktive schwere Masse (als Maß für die Fähigkeit eines Körpers, ein eigenes Gravitationsfeld hervorzubringen) und in eine passive schwere Masse (als Maß für die Empfindlichkeit eines Körpers gegenüber äußeren, anderen Gravitationsfeldern).
- Teilchen-Eigenschaften (z.B. elektrische Ladung) lassen sich mit Flankenanstieg o.ä. der Wellenkurven in Zusammenhang bringen.
- Schwache, Starke und elektromagnetische Wechselwirkung sind damit lediglich Eigenschaften der Mathematik der Vakuumwellen. Damit ergibt sich der Ansatz für eine einheitliche Feldtheorie.
- Quantenverschränkung (die nach Einstein "spukhafte Erscheinung") stellt sich lediglich als Eigenschaft einer im Vakuum unter bestimmten Bedingungen stehenden Welle dar, deren an verschiedenen Weltpunkten auftauchende wahrnehmbaren Elongationen sich durch Superpositionen gleichzeitig verändern. Das bedeutet, dass es solche Verschränkungen auch bei anderen Elementarteilchen als Photonen geben müsste.

Nachteile dieses Denk-Modells:
- Ein - wie auch immer gearteter - mathematischer Ansatz ist nicht bekannt und dürfte sich als extrem schwierig und kompliziert darstellen. Aber kann das Grund genug sein, Denk-Möglichkeiten auszuschließen? Ich habe dazu folgende Metapher: Man nehme einfach mal ein tägliches Geräusch wie z.B. das Krächzen einer Krähe und versuche, mit Hilfe einer Fourier-Analyse die einzelnen Frequenzen in Klangfarbe, Dauer usw. voneinander zu trennen....
- Es fehlen noch viele Details der bekannten und als richtig betrachteten Physik, die man unter dem Gesichtspunkt dieses Denkansatzes überprüfen und einordnen müsste. Viele Zusammenhänge sind noch nicht geklärt. Im Idealfall müssen sich sowohl die Quantentheorien als auch die Relativitätstheorien aus diesem Ansatz heraus als Spezial-Fälle ableiten lassen.

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