Relativität
Relativität

Vortrag vom 1.9.2021 in deutsch

Eine Methode zur Messung der linearen Relativbewegung zum Gravitationsfeld.

 

Guten Tag meine sehr verehrten Damen und Herren

 

Ich werde mich hier im Vortrag nur auf die wesentlichen Punkte beschränken. Die grundsätzliche Idee hatte ich schon im Internet veröffentlicht, weil 15 Minuten um das darzustellen zu kurz sind.

 

Zu Beginn möchte ich eine Frage in den Raum stellen. Haben wir die Relativität schon richtig verstanden? Messwerte sind immer ein Vergleich von 2 physikalischen Phänomenen. Damit sind zwangsläufig die Messwerte so relativ, wie dieser Vergleich. Aber trifft diese Relativität auch auf das zu was wir eigentlich messen wollen?

Wenn wir den Weltraum beobachten, sammeln sich Gase zu festen Körpern, Sterne zu Galaxien und Galaxien zu Galaxienhaufen. Materie rückt enger zusammen und die massefreien Räume dazwischen werden größer.

Der Mond soll sich aber um 3,8 cm pro Jahr von der Erde entfernen. Wenn man das auf eine Distanz von 13 Milliarden Lichtjahren hochrechnet, kommt man auf eine Geschwindigkeit von 380.000 km/s, was grob der Fluchtgeschwindigkeit der Galaxien in dieser Entfernung entspricht.

Wenn sich nun aber der Raum gar nicht ausdehnt, sondern die Zeit beschleunigt. Dann hätten die Spektrallinien heute ein viel höheres Niveau als früher. In dem Licht der entfernten Sterne wären dann der Zustand vor entsprechend langer Zeit eingefroren und hätte nichts mit einer Raumexpansion zu tun. Ich glaube das wäre besser vereinbar mit dem was wir im Weltraum sehen.

 

Zum eigentlichen Thema:

Erstens: Stellen wir uns 2 Ringgestelle vor, fern ab von anderen Massen, die parallel zueinander kreisen. Nennen wir sie A und B. Am Rand des Rings A wird keine Zentrifugalkraft gemessen. Wenn die Durchmesser der Ringe und die Winkelgeschwindigkeit bekannt sind, ließe sich daraus die Zentrifugalkraft am Rand des anderen Rings berechnen. Aber muss am Rand des Rings B überhaupt eine Zentrifugalkraft gemessen werden? Wird sie gemessen, weil man das berechnen kann? Schreibt die Mathematik vor was am anderen Ring passiert? Wenn ja, was bestimmt, das es nicht genau umgekehrt ist und im Ring A die Zentrifugalkraft auftritt? Weil ich das gesagt habe?

Wenn der leere Raum tatsächlich leer ist, dann gibt es für mich keinen Grund, warum es überhaupt eine Zentrifugalkraft geben sollte. Die Beobachtungen zeigen aber, dass am Rand eines jeden Körpers, der zum Universum rotiert eine Zentrifugalkraft auftritt. Das ist nur möglich wenn es lokal etwas gibt das diese Kraft bewirkt. Ich nenne es Gravitationsfeld.

Stellen wir uns vor ein Ringe hat den Durchmesser des Äquators. Dann könnten wir diesen auf einen Ring montieren, dessen Durchmesser dem unserer Galaxie entspricht. Wir bezeichnen diesen Ring mit S. Auch auf diesem Ring müssen die gleichen Gesetzt gelten und entsprechend die Zentrifugalkraft gemessen werden. Zu dem, was diese Zentrifugalkraft bewirkt bewegen sich die Ringe A und B seitwärts. Ihr Zentrum bewegt sich dabei fast geradlinig. Egal was die Zentrifugalkraft bewirkt, man kann dazu rotieren, aber sich auch geradlinig bewegen. Fern ab von gravitativen Massen entspricht das auch einer inertialen Bewegung.

 

Zweitens: Lassen wir Zylinderflächen sich aneinander vorbei bewegen. Betrachten wir dabei nur Ausschnitte der Zylinderflächen. In diesen Bereichen werden die Uhren jeweils räumlich nach Einsteins Gleich­zeitigkeits­definition synchronisiert. Nun messen wir nur den Gang der Atomuhren und die Bewegung von Zeit-Lichtsignalen, die von den Beobachtern direkt einander zugesendet werden. Dann haben wir exakt die gleichen Verhältnisse wie sie die Spezielle Relativitäts­theorie (SRT) für Inertialsysteme beschreibt.

Hier können wir aber die Zentrifugalkraft messen um einen bevorzugten Ruhezustand zu bestimmen.

Außerdem gibt es die Möglichkeit Uhren nicht nur zwischen den Beobachtern hin und her zu bewegen, sondern auch über den Rest des Rings weiter zu bewegen. Dadurch kann man kausal feststellen, dass auf dem Ring, der zum umliegenden Universum nicht rotiert, die Uhren am schnellsten gehen. Dadurch lässt sich auch so ein bevorzugter Ruhezustand bestimmen.

Auch können wir die Zeit-Lichtsignale nicht nur zwischen den Beobachtern hin und her schicken, sondern auch über den Rest des Ringes. Nur bei dem nicht rotierenden Ring treffen die Lichtsignale bei dem aussendenden Beobachter aus beiden Richtungen wieder gleichzeitig ein. Auch so lässt sich ein bevorzugter Ruhezustand bestimmen.

Sobald Rotation ins Spiel kommt kann man mit diesen Möglichkeiten kausal zeigen, dass die räumliche Gleichzeitigkeit nicht Einsteins Gleich­zeitigkeits­definition entsprechen kann. Deshalb tut sie das auch nicht in der Universal Time Coordinated (UTC).

Die drei genannten Möglichkeiten die Bewegung zu bestimmen bestehen bei der geradlinigen Bewegung nicht. Sollten deshalb die physikalischen Verhältnisse grundlegend anders sein?

Ein Beispiel dazu. Stellen wir uns den großen Ring mit 200.000 Lichtjahren Durchmesser vor. Der Rand des Rings soll sich mit der halben Licht­geschwindig­keit bewegen. Dann ist die Zentrifugalkraft so gering, dass ich mich mit der Hand festhalten kann und zusätzlich noch einen Balken mit zwei Beobachtern an den Enden. Alle haben wir Atomuhren. Halte ich mich am Ring fest, entspricht die räumliche Gleichzeitigkeit einer für diesen Ring der UTC entsprechenden Gleichzeitigkeit. Lasse ich los, soll sie Einsteins Gleich­zeitigkeits­definition entsprechen und die Beobachter an den Enden des Balkens müssen die Uhren verstellen. Halte ich mich wieder fest entspricht sie wieder der UTC und wieder müssen die Beobachter die Uhren verstellen. Was wird hier verändert durch das Festhalten oder nicht Festhalten? Wird tatsächlich die räumliche Gleichzeitigkeit verändert, oder werden nur die Messinstrumente verstellt und damit der Messwert? Was macht dabei wirklich Sinn?

 

Drittens: Bei der Rotation löst sich das Zwillingsparadoxon ganz einfach.

Synchronisieren wir 2 Uhren längs des Äquators nach Einsteins Gleich­zeitigkeits­definition. Dann bewegen wir eine Uhr zwischen diesen Uhren hin und her. Für diese Relativbewegung wird von den am Äquator stationären Uhren die bewegte Uhr als den Lorentz­transformationen entsprechend langsamer gehend gemessen. Das gilt für den Transport in Ostrichtung genauso wie in Westrichtung. Wird die Uhr langsam bewegt ist dieser Effekt zu vernachlässigen. Die relativen Betrachtungen entsprechen auch hier Inertialsystemen.

Wir wissen aber dass die bewegte Uhr auf dem Weg nach Osten tatsächlich viel langsamer geht und auf dem Weg nach Westen tatsächlich schneller geht als die am Äquator stehenden Uhren, zumindest solange die westliche Relativbewegung nicht größer ist als die doppelte Geschwindigkeit der Tangentialbewegung am Äquator. Das wird in der korrekten räumlichen Synchronisation in der UTC auch so gemessen.

Die bewegte Uhr könnte sich an dem einen Ende eines langen Eisenbahnwagens befinden und am anderen eine zweite Uhr. Werden die Uhren nach Einsteins Gleich­zeitigkeits­definition miteinander Synchronisiert, messen sie die auf der Ring stationären Uhren als für diese Bewegung den Lorentz­transformationen entsprechend als langsamer gehend. Dabei ist es egal ob sie sich in Ost- oder Westrichtung an den Uhren vorbei bewegen. Beschleunigt der Wagen jedoch unter Energieaufwand, um wieder zurück zu fahren, müssen die Uhren nachträglich neu eingestellt werden, um wieder Einsteins Definition der Gleichzeitigkeit zu entsprechen.

Wenn man die Messinstrumente während des Versuchsablaufs verstellt, sind dann beide Phasen noch miteinander vergleichbar? Verstellt er seine Uhren nicht, nach dem Beschleunigen für die Umkehr, dann misst er auch die auf dem Ring stationären Uhren als schneller gehend. In der Summe genau die Zeit, die sich beim Zwillingsparadoxon für den umkehrenden Zwilling ergibt.

Auch wenn das auf dem Ring stationäre Uhrenpaar und das im Eisenbahnwagen befindliche Uhrenpaar aus Einsteins Gleich­zeitigkeits­definition heraus die anderen jeweils genauso verändert messen, wie umgekehrt, sind sie zu den Bewegung nicht tatsächlich gleichberechtigt.

Ich glaube das ist bei der geradlinigen oder inertialen Bewegung nicht grundsätzlich anders.

 

Viertens: Kommen wir zu dem besonderen Feld Äther.

Der Äther sollte besondere Eigenschaften haben, die man nicht feststellen konnte, also wurde er zu recht abgelehnt. Die Interpretation des Michelson-Morley-Experiment (MME) wird heute häufig etwas verzerrt dargestellt, denn es widerlegt nicht, dass sich Licht konstant zu einem Bezugsfeld bewegen kann. Zu einem Bezugsfeld kann sich auch ein Beobachter bewegen, dann wäre die Licht­geschwindig­keit aber nicht konstant zum Beobachter, sondern zu dem Bezugsfeld. Wie oben schon beschrieben gibt es bei der Rotation ein bevorzugtes Ruhefeld, das ich Gravitationsfeld nenne.

Wer sich so etwas seltsames wie dunkle Materie vorstellen kann, sollte sich auch vorstellen können, dass sich Masseteilchen bis an die Licht­geschwindig­keit zum Gravitationsfeld bewegen können und masselose Lichtphotonen genau mit Licht­geschwindig­keit, ohne das dieses Feld zwingend andere Eigenschaften haben muss. Das gilt dann für die Rotation genauso, wie für die geradlinige Bewegung.

 

Fünftens: Was haben Uhren mit der Zeit zu tun?

Dazu möchte ich zunächst ein anderes Beispiel nennen. Ich bestimme mit Hilfe einer Balkenwaage und einer Federwaage die Masse von Körpern. Dann wiederhole ich das auf dem Mond. Die Balkenwaage liefert die gleichen Messergebnisse, die Federwaage nicht. Auch hier frage ich: Was haben die Messinstrumente mit der Masse zu tun? Durch die Umgebungsveränderung werden die Messinstrumente mit unterschiedlichen Messprinzipien unterschiedlich beeinflusst. Aber hat deshalb das eine Messinstrument mehr mit der Masse zu tun als das andere?

Jetzt auf die Zeit bezogen. Ich messe die Zeit mit einer Lichtuhr und einer Pendeluhr. Dann gehe ich auf den Berg und wiederhole die Messung. Hier stelle ich fest, dass die Lichtuhr schneller geht und die Pendeluhr langsamer. Aber hat eine der Uhren mehr mit der Zeit zu tun als die andere? Ich denke nicht. Die Uhren haben unterschiedliche Messprinzipien. Dadurch werden sie auch durch Umgebungs­veränderungen unterschiedlich beeinflusst.

Bei der Balkenwaage misst sich die Masse sozusagen mit sich selbst. Deshalb führt auch die Umgebungsveränderung zu keiner Veränderung der Messwerte. Bei der Lichtuhr wird die Lichtbewegung mit sich selbst gemessen und die konstante Lichtbewegung ist Basis der Geometrie der Lorentz­transformationen. Dadurch misst die Lichtuhr auch immer konstant die Zeit in der Geometrie der Lorentz­transformationen. Die Atomuhren messen die Zeit auch auf Basis des Lichts und haben den selben Zeittakt wie eine Lichtuhr.

Nochmal zur Frage: Was haben Uhren mit der „Zeit an sich“ zu tun? Gibt es unterschiedliche Zeiten, z.B. lokale Zeiten? Für die Messinstrumente Uhren gilt das sicherlich, wie für die Waagen, aber ich glaube das gilt nicht für das was wir eigentlich messen wollen: „Die Zeit an sich“.

Mit der Pendeluhr gibt es ein physikalisches Zeitmessprinzip, das auf Umgebungsveränderungen anders reagiert als Atomuhren. Dieses ist aber auch abhängig von der Gravitation oder Massenbewegung. Man muss versuchen ein physikalisches Phänomen zu finden, das einen ausreichend schnellen Takt hat, wie die Atomuhren, das aber unabhängig ist vom Gravitationsfeld. Das also auf dem Berg den selben Takt hat wie im Tal. Und das in Ostrichtung oder Westrichtung um die Erde transportiert den selben Takt beibehält.

Würde man ein solches Phänomen finden, hätte man zunächst ein Problem den Zeittakt dieser Uhren einzuschätzen, denn ihr Zeitanzeige würde sinusförmig zu den Atomuhren schwanken. Entscheidend ist, dass diese, ich möchte sie K-Uhren nenne, für sich einen konstanten Zeittakt haben, also mehrere Uhren direkt nebeneinander stehend im gleichen Zeittakt bleiben. Damit könnte man dann eine Zeit definieren wie die Système International Sekunde. Ich möchte sie K-Einheit nennen.

In der räumlichen Synchronisation der Uhren in der UTC bewegt sich Licht in Ost- und Westrichtung nicht gleich schnell. Hier setze ich einmal voraus, dass die interessierten Zuhörer den Beitrag auf meiner Homepage gelesen haben. Darin wird das Folgende ausführlicher beschrieben.

Setze ich 2 Atomuhren auf einen Balken und drehe den, führt das zu keinem Verschieben des Eintreffens der Zeitsignale zwischen diesen Uhren. Zu den Zeitsignalen der UTC kommt es dabei aber zu einer Verschiebung. Nicht nur durch die veränderte Laufzeit der Signale, sondern auch weil die mit Drehen des Balkens westwärts bewegte Uhr auf diesem Weg schneller geht und die ostwärts bewegte Uhr deutlich langsamer.

Mache ich das gleiche mit 2 K-Uhren, kommt es zu einer Verschiebung des Eintreffens der Zeitsignale zwischen den beiden K-Uhren.

Die Erde dreht sich nicht nur und bewegt sich um die Sonne, sondern auch noch die Sonne um das Zentrum der Milchstraße und auch diese soll sich bewegen. Für die Verschiebung des Eintreffens der Zeitsignale zwischen den K-Uhren A und B ist die Geschwindigkeit zum Gravitationsfeld entscheidend. Diese verändert sich natürlich mit der Bewegung der Erde.

Befindet sich die K-Uhr B in Richtung der Bewegung zum Gravitationsfeld, ist der Zeitunterschied für das Eintreffen der Zeitsignale der K-Uhr B bei der K-Uhr A am geringsten. Befindet sich die K-Uhr B in entgegengesetzter Richtung, ist der Zeitunterschied am größten. So lässt sich die Richtung der Bewegung zum Gravitationsfeld bestimmen. Aus der Größe der Änderung des Zeitunterschieds und dem Abstand der Uhren zueinander lässt sich die Geschwindigkeit zu dem, bei der Rotation, die Lichtgeschwindigkeit bestimmenden Feld berechnen.

 

Schlussbemerkung: Befreien wir die Allgemeinen Relativitäts­theorie (ART) von dem Dogma der absoluten Konstanz der Licht­geschwindig­keit. Sehen wir das Gravitationsfeld als ein aus den Gravitationsfeldern der Masseteilchen gebildetes Feld. Dieses könnte dann durch die dagegen bewegten Masseteilchen plastisch verändert werden.

Einstein bezeichnete die Anomalie in der Periheldrehung des Merkur und den Schiff-Effekt, die durch die ART erklärt werden, als Überlagerungen des Gravitationsfeldes. Wenn es aber plastische Veränderungen sind, dann müsste die Erde auch das Gravitationsfeld ein wenig in ihrer Bewegung mitnehmen, was die Fly-by-Anomalie erklärt.

In Bereichen, wo die lokal das Gravitationsfeld bestimmenden Massen sich in einer einheitlichen Richtung bewegen könnte das noch viel deutlicher werden, wie z.B. in Galaxien. Die bewegten Massen führen zu einem Rotieren des Gravitationsfeldes. Da dieses die Zentrifugalkraft bestimmt wird von außen die Bewegung der Sterne als zu schnell gemessen, obwohl die Bewegung relativ zum Gravitationsfeld genau richtig ist, auch ohne dunkle Materie.

Dazu muss man möglicherweise die Formeln der ART nur etwas anders anwenden. Aber ich bin kein Mathematiker und kann das nicht lösen.

Zum anderen könnte man mit nur einem geringen Teil des Aufwandes mit dem man dunkle Materie sucht, nach Uhren suchen, die nicht vom Gravitationsfeld abhängig sind.

 

Mehr dazu in meinem e-Buch: Die Relativität des Beobachters ISBN 978-3-7394-2930-4

 

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© Karl-Herbert Darmer