Relativität
Menschliche Erkenntnisse beim Erforschen des Universums von Karl-Herbert Darmer
Einleitung:
Das James Web Teleskop zeigt uns immer tiefere Einsichten in das Universum. Es werden aber immer mehr Bilder entdeckt, die sich nicht mehr unproblematisch in das Standardmodell der Kosmologie einpassen lassen. Es werden immer mehr Stimmen laut, die sagen: Das Modell muss angepasst werden. Aber an welcher Stelle müsste man ansetzen, mit den Veränderungen?
In der modernen Wissenschaft werden sehr viele Aussagen gemacht und als Tatsachen oder als bewiesen dargestellt. Was mir fehlt, ist eine klare Gliederung in Annahmen, Beobachtungstatsachen und mit Hilfe welcher Annahmen wir diese Beobachtungstatsachen interpretieren. Nur wenn diese Annahmen eindeutig klar sind, wissen wir wovon unsere Schlussfolgerungen abhängen.
Kann eine Theorie überhaupt „bewiesen” werden? Jede Theorie beinhaltet Annahmen. Unter der Voraussetzung, dass diese Annahmen richtig sind, kann man mathematisch nur zeigen, dass die Theorie in sich widerspruchsfrei ist. Wenn mir Messwerte widerspruchsfrei mathematisch zusammenfassen können, bedeutet das wirklich, dass wir den Vorgang vollständig erfasst haben? Und was bedeutet es, wenn wir diese Messwerte nicht widerspruchsfrei zusammenfassen können.
Die Newtonschen Gravitationsgesetze liefern uns gute Hilfsmittel, um die Bewegung von Himmelskörpern zu beschreiben. Aber eigentlich immer nur dann, wenn wir im Rahmen der Messgenauigkeit die Massen der Himmelskörper auf einen Punkt reduzieren können. Die Anomalie in der Periheldrehung des Merkur können wir damit nicht erklären. In diesem Fall wurde als Lösung angesehen, dass man die Formeln ändern muss. Das führte zur Allgemeinen Relativitätstheorie und dem Standardmodell der Kosmologie.
Dann entdeckte man, dass sich Sterne am Rande von Galaxien für die sichtbare Masse der Galaxien zu schnell bewegen. Hier die Formeln anzupassen, könnte zu extrem komplizierten Formeln führen
und möglicherweise würde jede Galaxie ihre eigene Formel benötigen. Nach Ockhams Razer war die einfachere Lösung, die 1933 von Fritz Zwicky postulierte dunkle Materie. Aber war das der richtige Weg?
Später zweifelte Albert Einstein daran, dass die grundlegenden Annahmen so richtig waren, was ihm sehr viel Widerspruch einbrachte. Was er Ende 1949 in einem Brief an Solovine zum Ausdruck brachte. Diesen möchte ich hier zitieren:
„Ich bin ganz gerührt über ihren herzlichen Brief, der so sehr absticht von den anderen unzähligen Briefen, die bei dieser unseligen Gelegenheit auf mich niedergeprasselt sind. Sie stellen es sich so vor, daß ich mit stiller Befriedigung auf ein Lebenswerk zurückschaue. Aber es ist ganz anders von der Nähe gesehen. Da ist kein einziger Begriff, von dem ich überzeugt wäre, daß er standhalten wird, und ich fühle mich unsicher, ob ich überhaupt auf dem rechten Wege bin. Die Zeitgenossen aber sehen in mir zugleich einen Ketzer und Reaktionär, der sich selber sozusagen überlebt hat. Das hat allerdings mit Mode und Kurzsichtigkeit zu schaffen, aber das Gefühl der Unzulänglichkeit kommt von innen. Nun -- es kann wohl nicht anders sein, wenn man kritisch und ehrlich ist, und Humor und Bescheidung halten einen im Gleichgewicht, den äußeren Einwirkungen zum Trotz.”
Einstein war nicht nur ein genialer Denker, er ging auch zeitlebens kritisch mit den eigenen Vorstellungen um. Wenn ich das wenige, was ich von seinen späten Gedanken lesen konnte, richtig verstanden habe, wollte er wieder ein Feld einführen, zu dem man sich bewegen kann.
Fast hundert Jahre später haben wir immer noch keinen Hauch eines Nachweises dieser von Zwicky postulierten dunklen Materie. Das alles möchte ich als Anlass nehmen, um noch mal ganz grundlegend über die menschlichen Erkenntnisse nachzudenken.
Wahrnehmungswelt:
Ich beginne mit dem Ausspruch von Descartes „Ich denke, also bin ich”.
Wer den Film „Matrix” von Lana und Lilly Wachowski gesehen hat, wird besser verstehen, wovon ich schreibe. In dieser Welt leben die Menschen nur in einem Ernährungskokon, den sie als solchen gar nicht wahrnehmen. Alles, was sie erleben, läuft über ein Datenkabel und findet nur in einer digitalen Welt statt. Woher „weiß” ich, dass es mir nicht genau so ergeht? Egal, was ich mir ausdenke, um zu beweisen, dass es noch etwas anderes außer meiner erlebten Gedankenwelt gibt, ist zwangsläufig Bestandteil der „Realität dieser Gedanken”. Damit sind auch die „Beweise” nur so „real” wie diese „Realität der Gedanken”. In dieser Welt gibt es keine Grenzen, außer den Grenzen meiner Phantasie.
Das könnte man weiter ausführen. Ich möchte aber den nächsten Schritt gehen. Was bedeutet es, etwas anzunehmen, oder zu glauben. Ich nehme an, meine Gedankenwelt ist nicht die einzige, sondern es gibt Milliarden von anderen Wesen, die genauso ihre eigene Gedankenwelt haben. Mit dieser Annahme ist die Möglichkeit ausgeschlossen, dass meine Gedankenwelt die einzige ist. Ich behalte aber im Hinterkopf, dass ich mich schon mit dieser ersten Annahme geirrt haben könnte. Habe ich mich mit dieser Annahme nicht geirrt, dann folgen aus ihr noch weitere Annahmen. Da ich die Gedankenwelt anderer nicht wahrnehmen kann, muss es etwas geben, was uns trennt. Auf der anderen Seite kann ich aber mit diesen Gedankenwelten kommunizieren. Deshalb muss es etwas geben, was diese Gedankenwelten verbindet.
Hierzu möchte ich eine Anmerkung machen. Wenn jemand in seiner eigenen Gedankenwelt diesen Text liest, könnte er denken: wovon schreibt er eigentlich? Ich denke und er denkt, also gibt es doch mehrere Gedankenwelten. Wie aber kann er beweisen, dass ich nicht nur der Dorn bin, der seiner Gedankenwelt entspringt und ihm vorgaukeln will, es gebe mehr als seine Gedankenwelt. Vielleicht mit Telepathie? Ich glaube aber auch das ist nur das Produkt einer phantasievollen Gedankenwelt. Die Begründung sollte aus dem Folgenden klar werden.
Woher erhält meine Gedankenwelt seine Informationen? Über meine Sinneszellen, die elektrische Impulse über Nervenbahnen ins Gehirn schicken. Hier entsteht eine „gedankliche Wahrnehmungswelt”. Diese hat aber nicht mehr mit der Realität des uns umgebenden Universums zu tun, als diese elektrischen Impulse. Aus diesen Impulsen forme ich meine Gedankenwelt. Sie ist deshalb auch nur von diesen Impulsen abhängig. Diese Gedankenwelt muss in keiner Weise mit der Realität des mich umgebenden Universums übereinstimmen.
Um besser zu verstehen, was ich meine, muss man sich Bilder mit optischen Täuschungen vorstellen. Z.B. könnte man im Internet nach „Optische Täuschungen gleichzeitig Gläser und Gesichter” suchen. Dann erhält man Bilder, auf denen man Gläser oder zwei Gesichter im Profil sieht.
In der von der Gedankenwelt unabhängigen Welt, ich möchte sie im Weiteren Universum nennen, sind es nur Farbe oder Linien auf dem Papier. Keine Gläser oder Gesichter. In unserer gedanklichen Welt werden die elektrischen Impulse, die wir von unseren Augen erhalten, mit früheren Impulsen vermischt und deshalb „sehen” wir Gläser oder Gesichter. Das findet aber nur in der gedanklichen Welt statt. In dieser gedanklichen Welt sind die Bilder „real”, aber sie existieren nicht in der „Realität des Universums”. Diese Realität ist völlig unabhängig von den Gedanken des Menschen. Das Universum funktioniert ganz nach seinen eigenen Eigenschaften. Es existierte schon bevor sich der Mensch auf der Erde entwickelte, dieses Universum beobachtete und sich Gedanken über seine Beobachtungen machte. Und sie wird auch in ihrer Funktionsweise den Menschen überdauern, egal ob der Mensch die Funktionsweise dieser Realität in seiner Gedankenwelt auch nur annähernd ähnlich nachvollzogen hat.
Hier haben sich schon einige Annahmen eingeschlichen. Die wichtigste ist mein Glaube, dass es ein real existierendes Universum gibt. Von diesem erhalten wir über unsere Sinne elektrische Impulse, aus denen wir in unserer Gedankenwelt eine für diese Gedankenwelt reale Wahrnehmungswelt schaffen. Dass dieses Universum außerhalb der menschlichen Gedankenwelt existiert, kann der Mensch nicht beweisen. Die elektrischen Impulse, die in unserem Gehirn ankommen, könnten auch von einem Datenkabel eines Computers stammen.
Um das verständlicher zu machen. Es gibt Menschen, die farbenblind sind. Das führt zwangsläufig dazu, dass ihre Wahrnehmungswelt anders aussieht, als die eines nicht farbenblinden. Damit unterscheidet sich die Realität Ihrer Wahrnehmungswelten. Das hat aber keinen Einfluss auf die Realität, die beide umgibt. Diese ist für beide dieselbe und sie ist von beiden unabhängig.
Ich nehme also an, dass ich tatsächlich über meine Sinnesorgane etwas von der Realität des uns umgebenden Universums wahrnehmen kann und das in meiner Wahrnehmungswelt verarbeiten kann. Diese Realität der Wahrnehmungswelt stimmt mit der anderen nur annähernd so weit überein, wie man seine Sinne richtig interpretiert. Sinnestäuschungen gibt es aber in sehr vielfältiger Weise.
Messinstrumente:
Welche Möglichkeiten habe ich das zu verbessern. Man kann Messinstrumente konstruieren, die vieles genauer bestimmen können. Man kann damit sogar physikalische Phänomene wahrnehmen, die unsere Sinne gar nicht erfassen, wie z.B. Radioaktivität oder Licht anderer Wellenlängen, aus dem Infraroten oder Gammastrahlenbereich. Messgeräte, wie das James Web Teleskop, können uns Bilder aus ganz entfernten Bereichen zeigen, die wir eigentlich mit unseren Sinnen wahrnehmen könnten.
Sind wir damit befreit von dem Problem der Sinnestäuschungen. Nehmen wir damit die Realität des uns umgebenden Universums exakt so wahr, wie sie ist? Leider nein. Wir müssen unsere Messinstrumente mit einigen Annahmen versehen, damit wir verwertbare Messwerte erhalten. Diese Annahmen müssen aber gar nicht richtig sein.
Die wichtigste ist die Annahme, dass unser Messinstrument konstante Messwerte liefert. Deshalb dürfen sich Messinstrumente mit der Zeit auch nicht verändern. Als Beispiel nehmen wir ein Plastikmaßband, das langsam seine Weichmacher verliert und dadurch schrumpft. Das mag zu Anfang brauchbar sein, aber auf lange Sicht ist es untauglich.
Es darf unter unterschiedlichen Bedingungen keine unterschiedlichen Werte liefern. Nehmen wir eine Balkenwaage und eine Federwaage. Wir wiegen eine Probemasse von einem Gramm. Zunächst mit der Federwaage und dann mit der Balkenwaage. In beiden Fällen erhalten wir das Messergebnis ein Gramm. Dann wiederholen wir die Messung auf dem Mond. Auf dem Mond erhalten wir mit der Balkenwade wiederum das Messergebnis ein Gramm. Das Messergebnis der Federwaage ist viel niedriger. Mit beiden Instrumenten messen wir die Masse nicht direkt, sondern nur die Kraft, mit der diese Masse von dem zugrunde liegenden Himmelskörper angezogen wird.1 Und die ist auf Erde und Mond unterschiedlich. Bei der Federwaage messen wir diese Kraft durch eine Federspannung. Die Kraft ist auf den Mond niedriger, damit auch das Messergebnis.
Bei der Balkenwaage vergleichen wir die Kraft, mit der unsere Probe angezogen wird, mit der Kraft, mit der eine geeichte Probe angezogen wird. Bei gleich großer Masse werden sie mit gleicher Kraft angezogen. Das ist auf dem Mond nicht anders als auf der Erde. Darum erhalten wir das gleiche Messergebnis. Aus dem konstanten Messergebnis der Balkenwaage, können wir aber nicht schließen, dass sich an den Umgebungsbedingungen nichts verändert hätte. Allgemein bedeutet es, dass wir aus einem konstanten Messergebnis niemals schließen können, dass sich in der Realität des uns umgebenden Universums nichts verändert hat. Andersherum kann ich aber auch aus einem sich verändernden Messergebnis nicht schließen, dass sich meine zu messende Sache verändert hat, hier die Masse meiner Probe. Es könnten sich auch nur die Bedingungen für mein Messinstrument verändert haben. Das Gramm ist noch das gleiche, auch wenn sich für das Messergebnis der Federwaage auf dem Mond die Bedingungen geändert haben.
Nehmen wir eine Eisenstange. Machen darauf zwei Kerben in dem definierten Abstand eines Meters und messen damit die Länge anderer Eisenstangen. Dann wiederholen wir das bei unterschiedlichen Temperaturen. Immer erhalten wir den gleichen Messwert für die Länge der Eisenstangen. Aus den konstanten Messwerten können wir aber nicht schließen, dass die Eisenstangen in der Realität des uns umgebenden Universums tatsächlich bei unterschiedlichen Temperaturen dieselben Längen haben. Das haben Sie nur in der Wahrnehmungswelt dieses Messinstruments. Natürlich kommt man hier sehr schnell darauf, dass etwas nicht stimmen kann. Man kann die Messinstrument-Eisenstange und die zu messende Eisenstange auf unterschiedliche Temperaturen bringen und nebeneinander halten. Dann kann man sehen, wie sich die unterschiedliche Länge mit dem Temperaturausgleich der Eisenstangen dann auch wieder angleicht. Man kann hier sehr schnell feststellen, dass sich mein Messinstrument unter den sich verändernden Umgebungsbedingungen, genauso verändert, wie das zu messende Gegenstück.
Wie steht es da mit der Lichtgeschwindigkeit? Bei Problemen zur Speziellen Relativitätstheorie wird die Zeitmessung gern mit Lichtuhren vorgenommen. Auch bei Wikipedia wird bei der Erklärung der Zeitdilatation eine Lichtuhr beschrieben. Der Zeittakt einer Lichtuhr, wird durch die Geschwindigkeit bestimmt, mit der sich ein Lichtsignal in der Uhr hin und her bewegt. Wenn man mit einer solchen Uhr die Lichtgeschwindigkeit misst, ist die logische Folge, wie bei den Eisenstangen, dass auch unter unterschiedlichen Bedingungen derselbe Messwert erzielt wird. Daraus kann man folgern, dass auch, wenn in der menschlichen Wahrnehmungswelt die Lichtgeschwindigkeit mit diesen Messinstrumenten immer mit konstanter Geschwindigkeit gemessen wird, sie in der Realität des uns umgebenden Universums tatsächlich unterschiedlich sein kann. Alle hochpräzisen Uhren verwenden als Basis des Zeittakts Licht, wenn auch auf viel kleinerem Raum. Das macht im Prinzip keinen Unterschied. Welche Konsequenzen sich daraus ergeben, werde ich später noch erklären.
Zeit:
Ein anderes Beispiel für die Probleme bei Messinstrumenten ist die Definition der Sekunde. Man kann sie als den 86.400sten Teil eines Tages definieren. Für die Armbanduhr eines Menschen mag das reichen. Aber bei zunehmender Messpräzision und Betrachtung astronomischer Zeiten, reicht das nicht aus. Die Rotationsgeschwindigkeit der Erde schwankt sehr kurzfristig. Das ist bei astronomischen Betrachtungen von Bedeutung und muss berücksichtigt werden. Und langfristig wird die Erdumdrehung durch die Gezeitenreibung immer langsamer. Was dazu führt, dass die Tage immer länger werden. Der Tag ist keine geeignete Grundlage für die Definition der Zeitmessung.
Heutige Definition: „Die Sekunde (Zeichen s) ist definiert als das 9.192.631.770-fache der Periodendauer der Strahlung, die dem Übergang zwischen den beiden Hyperfeinstrukturniveaus des Grundzustandes von Atomen des Nuklids Cäsium-133 (133Cs) entspricht.”
Haben wir damit alle grundsätzlichen Probleme der Zeitmessung beseitigt? Nein. Seit 1971 wissen wir durch das Hafele und Keating Experiment, dass ostwärts bewegte Atomuhren als langsamer gehend gemessen werden und westwärts bewegte Atomuhren als schneller gehend. Warum tun sie das? Man kann annehmen, dass jedes System seine „Eigenzeit” hat. Da diese bei westwärts bewegten Uhren schneller geht, müssen auch die Uhren schneller gehen. Ist die Kausalität der Veränderung des Zeittaktes tatsächlich in dieser Form gegeben?
Stellen wir eine Atomuhr neben eine Pendeluhr und synchronisieren sie miteinander. Danach bringen wir sie auf einen Berg. Dabei sollte sich der Abstand zur Rotationsachse der Erde nicht verändern, damit die Geschwindigkeit keinen Einfluss auf den Uhrengang hat. Wenn nur die Erdanziehung geringer ist, dann geht die Atomuhr schneller. Die Pendeluhr geht dagegen langsamer. Wäre die „Eigenzeit” an den unterschiedlichen Orten die Ursache, dann müssten sich beide Uhren in gleicher Weise verhalten. - Oder hat die Pendeluhr gar nichts mit der Zeit zu tun und nur die Atomuhr? Ich nehme an, beides sind Uhren und die „Eigenzeit” eines Systems ist nicht die Ursache für den veränderten Uhrengang, sondern die veränderten Umgebungsbedingungen. Damit ist für mich die Eigenzeit auch keine befriedigende Lösung bei der Bewegung.
Ich nehme an, Atomuhr und Pendeluhr sind beides Messinstrumente, die regelmäßig sich wiederholende Ereignisse markieren und damit prinzipiell als Zeitmessinstrumente geeignet sind. Da sie auf unterschiedlicher physikalische Funktionsweise basieren, haben Veränderungen der Umgebungsbedingungen auch einen unterschiedlichen Einfluss auf ihren Messwert, wie bei der Balkenwaage und der Federwaage. Dieser Unterschied der Zeitmesswerte besteht nur in der Wahrnehmungswelt dieser Instrumente, muss aber nicht zwangsläufig einen Unterschied in der Zeit der Realität des uns umgebenden Universums bedeuten. Natürlich funktionieren diese Messinstrumente in der Realität des uns umgebenden Universums genau so, wie es die Eigenschaften dieses Universums bestimmen. Wie aus dieser Wahrnehmungswelt der Instrumente unsere Vorstellung von Zeit entsteht, ist abhängig davon, mit welchen Annahmen wir die Funktionsweise dieser Instrumente versehen. Ich gehe davon aus, dass alle „Uhren”, besser alle sich wiederholende Ereignisse eine bestimmte „Zeit” brauchen. Diese „gemessene Zeit” in unserer Wahrnehmungswelt hat aber keine fixe oder absolute Verknüpfung mit der „Zeit an sich”. Diese Zeit an sich wäre nur Bestandteil der Realität des uns umgebenden Universums und damit könnte sie immer für alle gleich sein. Abhängig von den Umgebungsbedingungen kann sich der Zeittakt einer Uhr relativ zu der „Zeit an sich” verändern. Leider können wir Menschen diese „Zeit an sich” nicht messen, sondern immer nur innerhalb des Universums zwei sich wiederholenden Ereignisse miteinander vergleichen. Das Ergebnis dieses Vergleichs könnte ein konstanter Wert sein. Wir könnten auch feststellen, das die Messwerte sich verändern. Damit haben wir aber immer noch nicht festgestellt, ob der eine Vorgang relativ zur „Zeit an sich” schneller wird oder der andere langsamer. Und so relativ wie diese, von uns beobachtbaren Vergleiche, ist die ganze Wahrnehmungswelt des Menschen.
Raumzeit:
Aber die Relativität der Messwerte in unserer Wahrnehmungswelt ist nicht das einzige Problem in der Wahrnehmung von Raum und Zeit. Wir können die Zeit nicht isoliert messen. Nehmen wir die Pendeluhr. Da ist es ganz offensichtlich, dass der Zeittakt der Uhr durch eine Bewegung im Raum bestimmt wird. Auch in der Atomuhr wird eine Bewegung gemessen. Hier die Bewegung eines Photons, dass in einem viel kleineren Raumgebiet stattfindet, aber letztendlich auch eine Bewegung im Raum ist. Bisher haben wir keine Möglichkeit gefunden, die Zeit zu messen, ohne Veränderungen im Raum. Der Mensch wird das wohl auch niemals können.
Die Zeit bleibt nicht stehen, nur weil ich auf meinem Videoplayer auf Pause drücke. Lebe ich mit meiner Gedankenwelt nur in einem Computerprogramm, dann könnte der Programmierer auf Pause drücken. Ich würde aber nichts davon mitbekommen, da ich erst wieder beobachten kann, wenn das Programm weiter läuft. Und erst dann auch meine Uhr weiter tickt. Nur wenn sich die Vorgänge in der Realität des uns umgebenden Universums langsam verändern und es Informationen gibt, die diese Veränderung nicht mitmachen, dann könnte der Mensch das feststellen. Mehr dazu in der Zusammenfassung.
Wie sieht es mit dem Raum aus? Um den Abstand zwischen zwei Raumpunkten zu bestimmen, müssen wir diesen mit einem Messinstrument vergleichen. Da sich im Prinzip alles im Universum bewegt, würde sich auch mein Messinstrument an den Raumpunkten vorbeibewegen. Wenn ich vernünftige Messwerte erhalten will, muss ich an beiden Punkten gleichzeitig messen. Damit sind die Messwerte von Abständen im dreidimensionalen Raum von der Zeit abhängig. Alles was wir von Raum oder Zeit wahrnehmen können, sind vierdimensionale Messwerte. Deshalb ist es auch kein Wunder, wenn unsere Modelle eine vierdimensionale Raum-Zeit enthalten. Ob Raum und Zeit auch in der Realität des uns umgebenden Universums verknüpft sind, ist eine ganz andere Frage. Der Mensch kann jedenfalls Raum oder Zeit nicht voneinander getrennt wahrnehmen.
Lichtgeschwindigkeit:
Zurück zum Hafele und Keating Experiment. Wir müssen nicht gleich den ganzen Globus umrunden. Betrachten wir nur ein Teilstück von vielleicht 10 Kilometern in Ost-West-Richtung. Hier installieren wir zwei Magnetschwebebahnstrecken nebeneinander, sodass sich hier 2 Systeme ohne Gewackel aneinander vorbeibewegen können. Mir ist es egal, ob diese Systeme Zug-Bahndammexperimente nachvollziehen sollen oder Raketen darstellen oder einfach nur Balken auf denen in der Mitte und an den Enden Atomuhren fixiert werden. Bei der heutigen Messpräzision reichen schon 100 m lange Balken aus, um messbare Effekte auch schon bei Schallgeschwindigkeit zu erreichen. Die Uhren sollen die definierte Sekunde als Zeit ausgeben und auf den Balken jeweils nach Einsteins Gleichzeitigkeitsdefinition miteinander synchronisiert werden. Es handelt sich hier nicht um Inertialsysteme, da sie mit der Erde mit rotieren. Nimmt man nur die Zeiten dieser Atomuhren als Messwerte und verwendet zum Vergleichen dieser Atomuhren nur Lichtsignale, können wir trotzdem 1 zu 1 genau das nachmessen, was beim Vergleich von Inertialsystemen zu messen wäre. Egal ob die Balken zur Erde ruhen, oder sich in Ost- oder Westrichtung bewegen. Immer, wenn sich die Balken aneinander vorbeibewegen, messen die Beobachter den anderen Balken als längenkontrahiert und die anderen Uhren als den Lorentz-Transformationen entsprechend langsamer gehend. Obwohl wir wissen, dass sich die in Westrichtung am anderen Balken vorbeibewegten Uhren schneller gehen. Zumindest, solange sie sich nicht schneller bewegen, als der andere Balken in Ostrichtung um die Rotationsachse der Erde.2
Auf den Balken selbst wird die Lichtgeschwindigkeit für hin und Rückweg zusammen immer mit c gemessen. (Ich möchte jetzt mal die störenden Effekte z.B. der Luft außen vor lassen).
Und, dass sie die Geschwindigkeit der Lichtsignale in beiden Richtungen gleich schnell messen, ist schon die Folge der räumlichen Synchronisation der Uhren nach Einsteins Gleichzeitigkeitsdefinition.
Da es sich aber um eine Rotation handelt, haben wir noch andere Möglichkeiten die Uhren miteinander zu vergleichen. Geht die Uhr auf der Mitte des Balkens mit der Universal Time Coordinated UTC synchron, dann geht die von ihr östlich gelegene Uhr gegenüber der UTC nach und die westliche gelegene Uhr gegenüber der UTC vor. Wenn wir den Balken jetzt um die Mitte drehen, dann ändert sich auch nichts daran. Die anfangs östlich gelegene Uhr geht beim Drehen auf dem Weg nach Westen schneller, als die anderen Uhren, und zwar genau so, dass sie, wenn sie im Westen ankommt, genau um die Zeit gegenüber der UTC vorgeht, wie die zuvor dort gelegene Uhr. Diese geht auf ihrem Weg nach Osten langsamer als die anderen Uhren und zwar genau so, dass sie, wenn sie im Osten ankommt, genau um den Wert gegenüber der UTC nachgeht, den die andere Uhr vorher nachgegangen ist. Das entspricht dem Sagnac-Effekt und das haben Hafele und Keating schon in ihrem Experiment beschrieben. Dieser ist unabhängig von der Drehgeschwindigkeit des Balkens. Je schneller man dreht, um so mehr kommt ein zusätzlicher Zeitdilatationseffekt zum Tragen. Um so langsamer man dreht, um so mehr kann man diese Zeitdilatation vermeiden. Der Wert für den Sagnac-Effekt ist immer gleich groß. Ruhen die Balken relativ zur Erde, dann hängt der Wert des Sagnac-Effekts nur von der Rotationsgeschwindigkeit der Erde und dem Abstand zwischen den Uhren ab. Bewegen sich die Balken relativ zur Erdoberfläche, dann ist natürlich die andere Rotationsgeschwindigkeit zu berücksichtigen.
Michelson-Morley-Experiment MME:
Man kann das Michelson-Morley-Experiment auf eine Einarmmessung reduzieren, was dem Kennedy-Thorndike-Experiment entspricht. Man kann es noch weiter reduzieren, indem man die Spiegel in der Mitte und am Ende des Arms jeweils durch eine Uhr ersetzt. Diese Uhren senden Lichtsignale als Zeitsignale aus. Bei der heutigen Präzision der Uhren problemlos machbar. Dann wird es zu einer Einwegmessung. Dann entspricht das MME dem Drehen der Balken und hierbei entsteht innerhalb des Balkensystems kein messbarer Effekt. Die Zeitsignale der mittleren Uhr treffen immer mit einer konstanten Zeitdifferenz zur angezeigten Zeit der Enduhren ein. In umgekehrter Richtung ist es genauso. Ein bei den Enduhren reflektiertes Zeitsignal würde bei der mittleren Uhr immer mit konstanter Zeitdifferenz eintreffen. Wenn schon die Einwegmessung keinen Effekt hat, kann auch bei dem Michelson-Morley-Experiment keinen Effekt geben, bei dem immer nur der Hin- und Rückweg zusammen gemessen wird.
Die Uhren auf der Erde sind räumlich in der UTC miteinander synchronisiert. Eine räumliche Synchronisation nach Einsteins Gleichzeitigkeitsdefinition würde auf der Erde zu messbaren Widersprüchen führen und ist deshalb auch falsch. Innerhalb eines Systems, wie das mit den auf den Balken fixierten Uhren dargestellte, kann man eine Synchronisation nach Einsteins Gleichzeitigkeitsdefinition vornehmen. In der Wahrnehmungswelt dieser Systeme wird dann die Lichtgeschwindigkeit auch in beiden Richtungen gleich groß gemessen. Wir wissen aber aus der UTC und der Satellitennavigation, dass für die Lichtausbreitung relativ zur Erdoberfläche in Ostrichtung eine niedrigere Geschwindigkeit gemessen wird, als in Westrichtung. Nur auf einem nicht rotierenden Planeten, auf dem ein solches Balkensystem ruht, entspricht die auf den Uhren am Ende der Balken auch der UTC dieses Planeten. Entsprechend ist auch nur in diesem Fall die Einwegmessung der Lichtgeschwindigkeit für beide Systeme gleich.
Für mich besteht kein Grund anzunehmen, dass es bei der gradlinigen und damit inertialen Bewegung grundsätzlich anders ist. Es besteht kein Zweifel, dass, unter der geltenden Definition von Zeit und Raumgrößen, die Lichtgeschwindigkeit in jedem Inertialsystem mit demselben Wert gemessen werden muss. Und unter Einsteins Gleichzeitigkeitsdefinition muss die Lichtgeschwindigkeit auch in beiden Richtungen gleich schnell gemessen werden. Genauso wie im Beispiel in dem 10 Kilometer großen Abschnitt, der mit der Erdoberfläche mitrotiert. In der Wahrnehmungswelt der einzelnen Inertialsysteme hat die Lichtgeschwindigkeit immer einen konstanten Messwert. Aber, genauso wie in den Systemen auf der Magnetschwebebahn, müssen diese Messwerte nicht mit der Realität des uns umgebenden Universums übereinstimmen.
MME auf der Erdumlaufbahn um die Sonne:
Übertragen wir die auf der Erdoberfläche messbaren Effekte auf die Erdumlaufbahn um die Sonne. Auch hier muss es die gleichen Effekte geben. Denken wir uns einen Ring entlang der Erdbahn, der mit der Erde zusammen um die Sonne kreist. Setzen wir auf diesen Ring Uhren und synchronisieren diese der UTC entsprechend. Dann müssen Uhren, die sich relativ zu diesem Ring schneller bewegen, auch langsamer gehen. Und Uhren, die sich auf dem Ring langsamer bewegen, auch schneller gehen. Auch Licht muss sich entlang dieses Ringes in Erdbewegungsrichtung langsamer ausbreiten, als in entgegengesetzter Richtung. Man könnte denken, das muss Störungen im Bereich der Satellitennavigation verursachen.
Ich nehme an, dass die tatsächlichen Verhältnisse des uns umgebenden Universums, der Geometrie der Lorentztransformationen entsprechen. Die Lorentz-Transformationen haben so ihre Eigenwilligkeiten. Innerhalb von Systemen, die Michelson-Morley-Experimenten entsprechen, oder innerhalb derer nur mit Atomuhren und Lichtsignalen gemessen wird, kann man keine Effekte des unterschiedlichen Uhrengangs oder der Lichtausbreitung feststellen. Die Satellitennavigation entspricht im Prinzip einem riesigen Michelson-Morley-Experiment. Deshalb kann man auch innerhalb dieser Satellitennavigation keine Effekte feststellen. Erst im Vergleich mit den der UTC entsprechend synchronisierten Uhren entlang der Erdbahn könnte man solche Effekte feststellen.
Diese Effekte können auch weiter auf die Bahn der Sonne um das Zentrum der Milchstraße übertragen werden. Auch hier müssen sie auftreten. Jetzt sind wir fast schon bei der geradlinigen Bewegung. Warum sollte es bei dieser grundsätzlich anders sein? Nur weil wir hier keine Möglichkeit haben, die räumliche Gleichzeitigkeit anders zu überprüfen, als mit Lichtsignalen und deshalb die Gültigkeit der räumlichen Gleichzeitigkeit nach Einsteins Definition nicht kausal widerlegen können?
Achse des Bösen:
Wahrscheinlich könnte man solche Effekte auch bei dem Vergleich der Uhren mit Vorgängen außerhalb des Sonnensystems oder der Milchstraße feststellen. Astronomische Messungen müssen mit endlosen Korrekturen versehen werden. Und die Effekte dürften nur gering ausfallen, sodass sie durchaus unterhalb der Messgenauigkeit liegen könnten. Es könnte aber auch die Ursache für die „Achse des Bösen” bei der Ausmessung der Mikrowellenhintergrundstrahlung CMB sein. Es wäre schön, wenn es Astronomen gäbe, die bereit wären, das mit mir zu überprüfen.
Entscheidend für den Effekt ist die Bewegungsgeschwindigkeit der Uhren relativ zum Gravitationsfeld. Da wir diese Bewegung bisher nicht direkt messen können, ist der Vergleich mit der CMB nicht ganz einfach. Vergleichen wir die Satellitenuhren mit einer der UTC entsprechenden Synchronisation von Uhren entlang der Erdbahn, dann haben wir hier ein klar begrenztes Bezugssystem. Dieses repräsentiert einen nicht rotierenden Ring. Egal wie sich der Ring relativ zum Gravitationsfeld bewegt, hat jede Uhr, die den Ring einmal komplett umrundet hat, relativ zum Gravitationsfeld einen längeren Weg zurück gelegt. Sie hat sich also schneller bewegt und muss in der Summe langsamer gegangen sein.
Beim Vergleich des Uhrengangs mit der CMB, können wir die Bewegungsgeschwindigkeit relativ zum CMB, also den Dipol, exakt bestimmen. Ein Bewegungszustand, bei dem kein Dipol gemessen wird, könnte als eine Ruhe zum CMB betrachtet werden. Sie könnte aber trotzdem eine Bewegung zum herrschenden Gravitationsfeld bedeuten. Dann würde eine im Gravitationsfeld ruhende Uhr einen messbaren Dipol beobachten. Sie würde trotzdem schneller gehen als die zum CMB ruhende Uhr.
In einem zum Gravitationsfeld nicht rotierenden Ring können die Uhren der UTC entsprechend synchronisiert werden. Wenn sich dieser Ring seitwärts zum Gravitationsfeld bewegt, dann besteht in diesem System trotzdem ein Synchronisationsgefälle gegenüber einem im Gravitationsfeld ruhenden Ring.
Bewegt man eine Uhr entlang eines nicht rotierenden Rings, der sich seitwärts zum Gravitationsfeld bewegt, dann geht sie in jedem Abschnitt genau um den Betrag langsamer, der der Zeitdilatation für diese Bahngeschwindigkeit und Strecke entspricht. Der Sagnac-Effekt ist 0. Die Uhren auf dem Ring bewegen sich geradlinig durch das Gravitationsfeld, diese Uhr aber in einer sinusförmigen Kurve. Sie hat bei jeder erneuten Begegnung mit einer anderen Uhr des Rings (jeweils nach einer vollständigen Umrundung) einen längeren Weg durchs Gravitationsfeld zurückgelegt, war also schneller und muss entsprechend langsamer gegangen sein. Auf der einen Seite des Rings bewegt sich die Uhr tatsächlich schneller zum Gravitationsfeld als die anderen Uhren. Auf der anderen Seite aber dann zwangsläufig langsamer. Darum geht die Uhr auch in der Realität des uns umgebenden Universums in diesem Bereich tatsächlich schneller, als die anderen Uhren. Trotzdem wird sie auch in jedem Teilabschnitt dieses Bereichs, als langsamer gehend gemessen.
Zufall:
Hier möchte ich eine andere meiner Annahmen deutlich machen und dazu muss ich etwas ausschweifen. Ich glaube, dass alles in der Realität des uns umgebenden Universums kausal abläuft und dass dieses auch logisch nachvollziehbar ist. Das gilt z.B. auch für die Radioaktivität. Ich kann mir ein Modell vorstellen, wie die Ereignisse im Atom ablaufen. Nach diesem Modell ist es ein ganz kausaler Vorgang. Natürlich entspricht dieses Modell nicht den tatsächlichen Verhältnissen in der Realität des uns umgebenden Universums. Ich denke aber, dass es auch in der vom menschlichen Denken unabhängigen Realität einen ganz kausalen Vorgang gibt, der die Radioaktivität hervorruft. Nur wir Menschen sind bisher nicht in der Lage diesen Vorgang nachzuvollziehen und in unsere Wahrnehmungswelt und Gedankenwelt zu übertragen. Vielleicht werden wir auch nie dazu in der Lage sein.
Ein anschaulicheres Beispiel dafür, dass vermeintlich „zufällige” Abfolgen tatsächlich kausal sind, ist das Roulette. Man könnte denken, dass Roulette rein zufällige Ergebnisse liefert. Warum muss man dann aber den Croupier nach einiger Zeit austauschen? Das muss man, weil man festgestellt hat, dass Croupiers, abhängig von der vorhergehenden Zahl, bei der sie die Kugel aufnehmen und dann das Rad in Schwung setzen, die Kugel in einen bestimmten Sektor des Rades werfen. Logisch kann das nur so sein, wenn der Vorgang eine Kausalität enthält und nicht rein „zufällig” ist. Auch wenn wir diese Kausalität nicht berechnen können, ist das Ergebnis beim Roulette kein zufälliges Ergebnis.
Verschränkte Lichtteilchen:
Wie steht es da mit der seltsamen Fernwirkung verschränkter Lichtteilchen aus? Wenn wir mit der Messung des eigenen Teilchens, das Messergebnis des anderen Teilchens festlegen, dann besteht da ein kausaler Zusammenhang. Egal, wie dieser Zusammenhang übertragen werden mag. Ich möchte es einmal Information nennen. Wenn kein solcher Informationsaustausch stattgefunden hat, dann haben wir auch nicht das Messergebnis des anderen Teilchens mit der eigenen Messung festgelegt. Dann könnte das Messergebnis in der Realität des uns umgebenden Universums schon bei der Verschränkung festgelegt worden sein. Und erst mit unserer Messung wird dieses Messergebnis in unserer Wahrnehmungswelt festgelegt. Dann gibt es in unserer Wahrnehmungswelt eine mysteriöse Fernwirkung. In der Realität des uns umgebenden Universums hätte diese aber gar nicht stattgefunden.
Oder es gibt diese Fernwirkung. Anton Zeilinger hat einmal diese Messung so beschrieben, dass sich daraus logisch eine Möglichkeit ableiten lässt, Morsezeichen zu versenden. Mithilfe dieser Morsezeichen könnte man dann auch Zeitsignale versenden. Innerhalb der Zeit, die es dauern würde, bis der andere Beobachter die Antwort zurückschickt, könnte man die räumliche Gleichzeitigkeit kausal einengen. Das dürfte bei instantaner Fernwirkung auch bei einem 50 Lichtjahre entfernten Beobachter nur Sekunden dauern. Positionieren wir dazwischen weitere Beobachter. Dann würde sich hier eine kausale universelle Gleichzeitigkeitsebene ergeben, mit nur Sekunden betragender Messungenauigkeit.
Wir könnten jetzt entlang dieser Linie Inertialsysteme bewegen. Diese sollten, so wie in der speziellen Relativitätstheorie gefordert, ihre Uhren nach Einstands Gleichzeitigkeitsdefinition synchronisieren. Dann können auch alle Effekte genauso nachvollzogen werden, wie es aus der speziellen Relativitätstheorie hervorgeht. Genau so, wie es zuvor beschrieben wurde für die Bewegung von Uhrensystemen entlang der Magnetschwebebahnstrecken. Aber nur in einem der Inertialsysteme kann die räumliche Synchronisation der Uhren mit der räumlichen Synchronisation entlang dieser Strecke übereinstimmen. In allen anderen Inertialsystemen weicht sie ab. Damit könnte man zeigen, dass diese räumliche Synchronisationen nach Einsteins Gleichzeitigkeitsdefinition kausal falsch sind. Dann wären die Verhältnisse bei Rotation und inertialer Bewegung gleich zu beurteilen.
Wir können die Uhren in Inertialsystem nach Einsteins Gleichzeitigkeitsdefinition miteinander räumlich synchronisieren. Dann wäre die Wahrnehmungswelt dieser Inertialsysteme aber einer „optischen Täuschung”, weil wir unsere Messgeräte falsch interpretieren. Man kann auch sagen: Die Täuschung entsteht, weil wir unsere Messinstrumente falsch eichen.
Ich möchte auf diese Fernwirkung nicht weiter eingehen, da sie auch mir nicht wirklich behagt. Sie wäre aber problemlos vereinbar mit einem Gravitationsfeld, zu dem man sich bewegen kann und zu dem die Lichtgeschwindigkeit konstant ist. In meinen Augen wäre diese Lösung auch viel einfacher, um alle beobachteten Phänomene zu erklären.
Gravitationsfeld:
Manchmal werden gravitative Effekte mit einer aufgespannten Gummimatte erklärt, auf der Kugeln umher rollen. Die Gummimatte ist ein wunderbares Medium, zu dem man sich bewegen kann. Da kann man zur Markierung Nadeln hineinstecken und die Bewegung der Kugeln zu dem bevorzugten Bezugssystem Gummimatte kann man damit exakt beschreiben. Eine Vorstellung, die mir sehr gut gefällt. Man kann in das um uns herrschende Gravitationsfeld keine Nadel stecken, aber wenn man bereit ist ein solches Feld anzunehmen, dann kann man sich auch überlegen, welche Effekte das haben könnte. Insbesondere könnte man überlegen, wie man eine Bewegung im Gravitationsfeld messen könnte. Eine der Möglichkeiten habe ich 2021 bei der Tagung der DPG vorgestellt und ist unter www.darmer.de/smuk2021 nachzulesen.
Ich nehme an, dass das Gravitationsfeld von allen Masseteilchen dieses Universums gebildet wird. Zunächst soll offen bleiben, wie das genau geschieht oder woraus dieses Feld bestehen könnte. Ich kann aber beobachten, dass sich Masseteilchen gegenseitig beeinflussen und damit muss etwas zwischen ihnen sein. Ich möchte es Medium nennen. Zu einer Gummimatte oder einer zähen Flüssigkeit kann man sich schon wieder konkrete Eigenschaften vorstellen. So hat man das früher auch mit dem Äther gemacht. Ich möchte die Vorstellung dieses Mediums so behandeln, wie man das mit der Dunklen Materie macht. Die einzige bisher bekannte Eigenschaft der Dunklen Materie ist, dass sie die mathematischen Formeln ergänzt, sodass diese auch die Bewegungen der sich zu schnell bewegenden Himmelskörper beschreiben können. Das Gravitationsmedium soll auch nur genau die Eigenschaften haben, die man auch beobachten kann.
Gehen wir von einem ruhenden Medium aus, wie etwa von einer Gummimatte, aber ohne deren weitere Eigenschaften. Wenn das Medium von den Masseteilchen des Universums gebildet wird, dann müsste es auch von Masseteilchen beeinflusst werden, die sich zu dem Medium bewegen. Das Verhältnis sollte so sein, wie das herrschende Medium im Verhältnis zu den Feldern der sich bewegenden Masseteilchen. Das resultierende Medium sollte sich dann auch, relativ zu dem umliegenden ruhenden Medium, etwas in Richtung der sich bewegenden Teilchen bewegen. Diese Wirkung nimmt dann auch mit der zunehmenden Entfernung von den Masseteilchen ab. Welche Folgen hätte das?
Die Sonne würde mit ihrer Rotation zu einem, in ihrer näheren Umgebung rotierenden Gravitationsfeld führen. Das würde dann auch die Anomalie in der Periheldrehung des Merkur bewirken. Einstein meinte, das wäre nur eine Überlagerung des Gravitationsfeldes, zu dem man sich ja gar nicht bewegen kann (es gäbe kein bevorzugtes Bezugsfeld) und das sich damit auch nicht selbst bewegen kann. Aber was wäre der Unterschied in der Betrachtungsweise? Die Beobachtung der Anomalie in der Periheldrehung des Merkur wäre unverändert und die Formeln zur Berechnung wären die gleichen. Nur die Vorstellung, wie die zu Grunde liegende Realität des uns umgebenden Universums tatsächlich aussehen könnte, wäre eine andere. Die Erddrehung muss dann einen gleichartigen Effekt haben, wie es die Allgemeine Relativitätstheorie so vorhersagt und jetzt auch experimentell nachgewiesen wurde. Das wird Schiff-Effekt, Frame dragging oder Lense-Thirring-Effekt genannt.
Wenn es sich dabei aber nicht nur um eine rein rotationsbedingte mathematische Überlagerung des Gravitationsfeldes handelt, sondern um eine tatsächlich plastische Bewegung des Feldes, dann muss auch eine annähernd geradlinige Bewegung von Massen einen Effekt haben. Wie z.B. die Bewegung der Erde auf ihrer Bahn um die Sonne.
Das könnte die Fly-by-Anomalie der Raumsonden erklären. Bewegen sich diese an der Erde vorbei, dann müssten diese auch durch die Mitnahme des Gravitationsfeldes durch die Erde einen kleinen Schub in der Bewegungsrichtung der Erde erfahren. Bewegen Sie sich nach der Passage in der Richtung, wie die Erde um die Sonne, dann müssten wir eine leicht höhere Geschwindigkeiten messen, als sie das ohne diesen Effekt eigentlich haben sollten. Soweit ich weiß, haben keine Raumsonden die Erdumgebung in entgegengesetzter Richtung verlassen. In dieser Richtung müssten sie sich etwas langsamer von der Erde entfernen, als man das erwarten würde. Schwieriger wird es diesen Effekt zu messen, wenn sie sich senkrecht zu Erdbahn entfernen, weil man sie zum Beispiel zu weiter entfernten Planeten senden möchte. Auch hier müsste dieser Effekt sie in Richtung der Erdbahn beschleunigen. Was dann aber nicht zu einer schnelleren Entfernung von der Erde führt, sondern ihre weitere Bahn sollte in Richtung der Erdbewegung abweichen. Wenn wir die Geschwindigkeit einer Sonde relativ zur Erde durch den Dopplereffekt sehr exakt bestimmt werden kann, ist die Berechnung der zu erwartenden Richtung, mit der die Sonden nach der Erdpassage weiterfliegen sollten, sehr viel schwieriger zu bestimmen. Darum könnte dieser Effekt durch die Messungenauigkeit verdeckt werden.
Es gibt noch einen anderen Himmelskörper, bei dem wir diesen Effekt beobachten können. Auch die Bewegung der Sonne muss einen solchen Effekt hervorrufen.
Und es gibt einen Himmelskörper, der durch das Sonnensystem gerast ist und es dann mit einer etwas niedriger ausfallenden Geschwindigkeitsabnahme verlässt, als angenommen. Für diesen Effekt sollte die Bewegungsrichtung der Sonne relativ zum Milchstraßenzentrum entscheidend sein und nicht die Geschwindigkeit innerhalb der lokalen Gruppe. Die Bahn und Geschwindigkeit der Sonne wird durch das Gravitationsfeld der Milchstraße bestimmt und nicht durch die lokale Gruppe. Und Oumuamua entfernt sich wieder von der Sonne, in deren Richtung um das Milchstraßenzentrum. Unter meiner Vorstellung vom Gravitationsfeld sollte der Himmelskörper eine kleine Beschleunigung in Bewegungsrichtung der Sonne erhalten. Was zu dem gemessenen Effekt führt.
Wenn die Bewegung von Massen einen Effekt auf das resultierende Gravitationsfeld hat, dann sollte die gleichgerichtete Bewegung der, das lokale Gravitationsfeld bestimmenden Massen eine noch viel größere Wirkung haben. Das könnte dazu führen, dass das Gravitationsfeld von Spiralgalaxien ebenfalls rotiert. Da dieses Gravitationsfeld für die Zentripetalkraft das Entscheidende ist, bewegen sich die Sterne zum lokal herrschenden Gravitationsfeld genau mit der Geschwindigkeit, die sie Aufgrund der sichtbaren Materie haben müssten. Nur von außen betrachtet, bewegen sie sich scheinbar zu schnell.
Interpretation mathematischer Formeln:
Die Interpretation mathematischer Formeln hat ihre Grenzen, insbesondere, wenn wir uns Singularitäten nähern. In diesen Fällen können wir annähernd verlässliche Aussagen nur machen, wenn wir diesen Bereich tatsächlich experimentell untersucht haben. Wir müssen diesen Bereich auch mit anderen Messmethoden untersuchen, als denen, worauf die mathematischen Formeln beruhen. Sonst sind wir bei dem Problem, die Längen von Eisenstangen mit Eisenstangen zu messen, oder die Lichtgeschwindigkeit mit Lichtsignalen.
Das Problem von Singularitäten in diesen mathematischen Formeln möchte ich anhand der Formel für die Beleuchtungsstärke einer Lichtquelle darstellen.
Die Beleuchtungsstärke wird in der SI-Einheit Lux (lx) gemessen. 1 lx = 1 lm/m2
Sie besagt die Beleuchtungsstärke einer Lichtquelle ist die Lichtstärke durch den Abstand im Quadrat. Wenn man den Abstand verdoppelt, ist die Beleuchtungsstärke nur noch ein Viertel. Man kann das aber auch umkehren und den Abstand immer weiter verringern. Wenn man sich einer Kerzenflamme von 10 Meter auf 5 Meter nähert, dann wird ihre Beleuchtungsstärke vervierfacht. Wie aber nähere ich mich einer Kerzenflamme von einem Millimeter auf einen halben Millimeter, wenn die Kerzenflamme selbst 5 Millimeter dick ist? Und wie steht es mit der Planck-Länge? Rhein mathematisch kann ich den Abstand auch zu einer Punktförmigen Lichtquelle unter die Planck-Länge verkürzen. Nähert sich der Abstand gegen 0, nähert sich der Wert der Beleuchtungsstärke dem Unendlichen. Allein aus der Formel selbst können wir nicht erkennen, dass sie hier ihre Gültigkeit verliert. Das Problem können wir aber schon allein mit unseren Sinnen aus unterschiedlicher Sicht betrachten.
Wie sieht es da mit dem Schwarzschild Horizont oder der Lichtgeschwindigkeit aus? Natürlich kann ich mir vorstellen, dass aus der Formel hervorgeht, dass sich bei einer Überlichtgeschwindigkeit die Zeit umkehren müsste. Diese mathematische Spielerei hat in der Realität der Gedankenwelt des Menschen durchaus ihre Berechtigung. Aber ich nehme an, dass sie nichts mit der Realität des uns umgebenden Universums zu tun hat.
Mathematik:
Ich bin kein Mathematiker oder theoretischer Physiker. Ich kann nur tatsächliche Beobachtungen und die dazugehörigen Annahmen, wie Puzzleteile zusammensetzen und überprüfen, ob diese logisch und kausal zusammenpassen. Ob die Mathematik allein zur Realität der Gedankenwelt des Menschen gehört oder, ob sie auch einen Bestandteil der Realität des uns umgebenden Universums sein könnte, weiß ich nicht. Letztendlich spielt das aber keine Rolle. Ob wir uns mit unseren Vorstellungen der Realität des uns umgebenden Universums nähern oder nicht, hängt nur davon ab, wie genau unsere Vorstellung von der Funktionsweise unsere Messinstrumente und die für die Interpretation dieser Messinstrumente erforderlichen Annahmen, mit der vom menschlichen Denken unabhängigen Realität des uns umgebenden Universums übereinstimmen.
Können wir unsere Messwerte mathematisch widerspruchsfrei sortieren, dann könnte die dazu gehörende Vorstellung auch der Realität des uns umgebenden Universums entsprechen. Können wir diese Messwerte mathematisch nicht widerspruchsfrei sortieren, könnte unsere Vorstellung von der Realität des uns umgebenden Universums falsch sein. Wir könnten aber auch nur noch nicht die geeignete Formel gefunden haben. Aus der Mathematik alleine können wir nicht erkennen, wie bei der Formel für die Lichtstärke, wie die Realität des uns umgebenden Universums tatsächlich ist.
Für die Anomalie in der Periheldrehung des Merkurs (natürlich nicht alleine) haben wir uns in der Situation entschlossen, die mathematischen Formeln zu verändern. Dagegen haben wir uns entschlossen, bei den sich zu schnell bewegenden Stern in den Galaxien, die Annahmen zur Realität des uns umgebenden Universums zu verändern.
Aus den oben genannten Gründen, bin ich der Meinung, dass es im zweiten Fall der falsche Weg war. Ich bin nicht in der Lage mir eine Formel auszudenken, mit der meine Vorstellung mit den tatsächlichen Messungen der Sterne in Einklang gebracht werden könnte. Noch weniger bin ich dazu in der Lage, diese dann auch mit den möglicherweise frei zugänglichen Beobachtungsdaten der Astronomie zu überprüfen. Das müssten Mathematiker oder Astronomen machen, die wirklich bereit wären, ihre eigenen Vorstellungen infrage zu stellen und anderen Gedankengängen zu folgen.
Die Formeln der Allgemeinen Relativitätstheorie bieten meiner Meinung nach schon einen guten Ansatz, denn sie beschreiben die Anomalie in der Periheldrehung des Merkur und den Schiff-Effekt. Man sollte solche Effekte aber nicht nur bei der Rotation von Massen zulassen, sondern auch bei deren geradliniger Bewegung. Das ist natürlich unvereinbar mit der Vorstellung einer absoluten Konstanz der Lichtgeschwindigkeit. Meiner Meinung nach hindert uns diese Annahme oder das entsprechende Postulat in der speziellen Relativitätstheorie daran, in der realistischen Beurteilung des uns umgebenden Universums weiterzukommen.
Zusammenfassung:
Was mir in der modernen Wissenschaft fehlt, ist eine klarere Gliederung in Beobachtungstatsachen, die durch Experimente belegt sind, sowie in die Annahmen, die man macht, um die Messergebnisse der Experimente zu interpretieren. Diese Annahmen bleiben auch Annahmen und werden nie bewiesene Tatsachen, wie es gerne dargestellt wird. Diese Annahmen können höchstens als „wahrscheinlich nicht zutreffend” widerlegt werden.
Auch wird zu selten deutlich gemacht, was experimentell belegt ist und was nur Schlussfolgerung einer theoretischen Annahme ist. Für die Verwendung von rein aus der Theorie folgenden Vorstellungen sollte die Verwendung des Konjunktivs gebräuchlich werden. Generell fehlt mir eine Auflistung aller Annahmen, die für die logische Korrektheit einer Aussage gebraucht werden.
Erstes Beispiel: Um aus der Beobachtungstatsache, dass die allgemeine Rotverschiebung der Spektrallinien mit zunehmender Entfernung zunimmt, zu schließen, dass das Universum expandiert, müssen mehr Annahmen gemacht werden, als sich wohl die weitaus meisten Physiker vorstellen können.
Zweites Beispiel: Messtechnisch soll sich der Mond langsam von der Erde entfernen. Aber egal wo wir uns im Universum umsehen, überall hat die Masse die Tendenz sich zunehmend zu verklumpen. Neutronensterne oder Schwarze Löcher sollen umeinander kreisen und dann ineinander stürzen. Warum sollte sich der Mond von der Erde entfernen?
Die wichtigste Annahme für beide Beispiele ist, dass unsere Atomuhren ein konstantes Maß für die Zeit liefern. Was wäre, wenn die Periodendauer der Strahlung, die dem Übergang zwischen den beiden Hyperfeinstrukturniveaus des Grundzustandes von Atomen des Nuklids Cäsium-133 (133Cs) entspricht, langsam abnimmt. Damit würde auch die dazugehörige Spektrallinie ins Blaue verschoben. Das würde natürlich für alle Spektrallinien gelten. Relativ zur aktuellen Position der Spektrallinien, wären die im Sternenlicht enthaltenen Spektrallinien um so weiter rotverschoben, je länger sie unterwegs waren. Diese Rotverschiebung der Spektrallinien hätte dann nichts mit einem Dopplereffekt zu tun.
Der Messwert für die Zeit, die ein Lasersignal zum Mond und zurück braucht, würde größer werden. Das hätte aber nichts mit einem zunehmenden Abstand, sondern mit einem schneller Gehen der Atomuhren zu tun. Die Hubble-Konstante entspricht in etwa der Geschwindigkeit, mit der sich der Mond von der Erde entfernt.
Mit diesem Artikel möchte ich verständlich machen, dass die Realität in der Gedankenwelt des Menschen keine Grenzen hat. Die davon unabhängige Realität des uns umgebenden Universums ist aber etwas davon völlig unabhängiges. Um dieser Realität näherzukommen, bestehen für den Menschen erhebliche Hindernisse. Wahrscheinlich ist der Mensch nicht in der Lage, diese Realität jemals richtig zu erkennen. Er wird sich in seiner Gedankenwelt immer nur relative Modele davon machen können. Diese sind so relativ, wie die Relativität seiner Messinstrumente. Auch wenn seine Modelle, die er aus den Messwerten entwickelt, manchmal unscharf sind, glaube ich, dass die Vorgänge in der Realität des uns umgebenden Universums sowohl kausal als auch exakt sind. Für mich gibt es bisher keinen Anlass, daran zu zweifeln.
An dieser Stelle möchte ich alle an theoretischer Physik und Mathematik Interessierten fragen: Wenn sich das eine Postulat der Speziellen Relativitätstheorie als falsch herausstellen sollte, hätte das überhaupt eine Bedeutung für die mathematische Geometrie der Allgemeinen Relativitätstheorie? Für die Geometrie der Lorentz-Transformationen hätte das keine Bedeutung.
Könnten die Formeln der ART die ganzen im Universum beobachteten Bewegungsphänomene auch ohne dunkle Materie erklären, wenn sie so von den Fesseln der SRT befreit wäre? Vielleicht mit einer nur leichten Veränderung dieser Formeln.
Human insights in exploring the universe
by Karl-Herbert Darmer
Introdution:
The James Web Telescope shows us ever deeper insights into the universe. However, more and more images are being discovered that fit in no longer unproblematic in the standard model of cosmology. There are more and more voices loud saying: The model needs to be adjusted. But at what point would one have to start, with the changes?
In modern science, many statements are made and presented as facts or proven. What I am missing is a clear outline in assumptions, observational matters and with the help of what assumptions we interpret these observational matters. Only when these assumptions are exactly clear, do we know what our conclusions are hanging out.
Can a theory be “proven”? Each theory contains assumptions. Provided that these assumptions are correct, one can only mathematically show that the theory is in itself free of contradiction. If measured values can be mathematically summarize without contradiction, does this really mean that we have fully grasped the process? And what does it mean if we cannot summarize these measured values without contradiction.
Newton's gravitational laws provide us with good tools to describe the motion of celestial bodies. But actually only when we are able to reduce the masses of the celestial bodies to a point. With that, we cannot explain the anomaly in the turning of Mercury's perihelion. In this case, changing the formulas became a solution. This led to the general theory of relativity and the standard model of cosmology.
Then it was discovered that stars on the edge of galaxies move too fast for the visible mass of the galaxies. Adapting the formulas here could lead to extreme complicated formulas
And possibly each galaxy would need its own formula. After Ockham's Razer, the simpler solution was the dark matter postulated by Fritz Zwicky in 1933. But was that the right way?
Later, Albert Einstein doubted that the basic assumptions were so correct, which earned him a great deal of contradiction. What he did express in a letter in late 1949 to Solovine. I would like to quote this here (probably with translation mistakes):
“I am very touched by your cordial letter, which so much differs from the other countless letters that come upon me on this unfortunate occasion. You imagine it in such a way, that I look back on a life’s work with quiet satisfaction. But it's quite different from the proximity. There's not a single term, of which I would be convinced that it will stand, and I feel insecure whether I am on the right path at all. But the contemporaries see in me at the same time a heretic and reactionary, who survived himself, so to speak. However, this has to do with fashion and short-sightedness, but the feeling of inadequacy comes from within. Well -- it can't be any different if you are critical and honest, and humor and modesty keep you in balance, despite the external influences.”
Einstein was not only a brilliant thinker, he also dealt critically with his own ideas throughout his life. If I have correctly understood, the few what I read about his late thoughts, he wanted to introduce a field to which you can move.
Almost a hundred years later, we still have no hint of a proof of this dark matter postulated by Zwicky. I want to take all this as an occasion to think again very fundamentally about human knowledge.
Perception world :
I start with the saying of Descartes “I think, so I am”.
Anyone who has seen the movie “Matrix” by Lana and Lilly Wachowski will understand better what I am writing about. In this world, people live in only a nutritional cocoon, which they do not perceive as such. Everything you experience is done through a data cable and only takes place in a digital world. How do I “know” that it doesn’t go for me exactly like this? No matter how I think of to prove, there exists something else, differing from my experienced world of thought, it is inevitably part of the “reality of these thoughts.” So the “evidence” is only as “real” as this “reality of thoughts.” There are no limits in this world of thought, except the limits of my imagination.
This could be carried out further. But I want to take the next step. What does it mean to assume something, or to believe. I assume my world of thought is not the only one, but there are billions of other beings who have their own world of thought. With this assumption, the possibility is excluded that my world of thought is the only one. But I keep in mind that I may have been wrong with this first assumption. If I was not mistaken with this assumption, further assumptions will follow from it. Because I cannot perceive the thought world of others, there must be something that divides us. On the other hand, I can communicate with these worlds of thought. That's why there must be something, what connects these thought worlds.
I would like to make a comment on this. If someone in his own world of thought reads this text, he might think: what does he actually write about? I think and he thinks, so there are several worlds of thought. But how can he prove that I am not only the thorn that springs from his world of thought and wants to pretend to him that there is more than his thought world. Maybe with telepathy? But I also believe that this is only the product of an imaginative world of thought. The reasoning should become clear from the following.
From where does my world of thought get its information? About my sensory cells, which send electrical impulses into the brain via nerve pathways. Here is created a “world of perception.” This has not more to do with the reality of the universe surrounding us, than these electrical impulses do. From these impulses I shape my world of thought. That's why it just depends on only from these impulses. This world of thought does not have to correspond in any way to the reality of the universe surrounding me.
To better understand what I mean, you have to imagine images with optical illusions. For example, you could search on the Internet for “Optical illusions simultaneously glasses and faces”. Then you get pictures where You can see glasses or two faces in the profile.
In the world independent of the world of thought, I would like to call that the universe, it is only color or lines on paper. No glasses or faces. In our mental world, the electrical impulses we receive from our eyes are mixed with earlier impulses and therefore we “see” glasses or faces. But that only exists in the mental world. In this mental world, the images are “real” but they do not exist in the “reality of the universe.” This reality is completely independent of the thoughts of the people. The universe works according to its own properties. It existed even before man developed on earth, observed this universe and thoughts about his observations were made. And it will also outlast man in its functioning, regardless of whether man even approximates the functioning of this reality in his world of thought retrofit.
Here, some assumptions have already crept in. The most important is my belief that there is a real existing universe. From this we receive about our senses electrical impulses, from which we create in our thought world a real world of perception for this world of thought. That this universe outside the human world of thought exists, man cannot prove. The electrical impulses that arrive in our brains could also come from a data cable from a computer program.
To make it more understandable. There are people who are color blind. This inevitably leads to the fact that their world of perception looks different than that of a not colorblind. This distinguishes the reality of their worlds of perception. But this has no influence on the reality that surrounds both. This is the same for both of them and it is from both independent.
I therefore assume that I can actually perceive something from the reality of the universe surrounding us through my sense organs. And I can process that in my world of perception. This reality of the world of perception coincides with the other only approximately as far as one interprets one’s senses correctly. But there are sensory illusions in very diverse way.
Measuring instruments :
What possibilities do we have to improve this. You can design measuring instruments that can determine many things more precisely. You can even use it to perceive physical phenomena that do not grasp our senses at all, such as Radioactivity or light of other wavelengths, from the infrared or gamma-ray range. Measuring instruments, like the James Webb Telescope, can show us images from very distant areas, that we could actually perceive with our senses.
Are we freed from the problem of sensory illusions. Do we perceive the reality of the universe surrounding us exactly as it is? Unfortunately, no. We must provide our measuring instruments with some assumptions so that we obtain usable measured values. However, these assumptions do not have to be correct.
The most important is the assumption that our measuring instrument provides constant measured values. Therefore, measuring instruments must not change over time. As Example we take a plastic tape that slowly loses its plasticizers and shrinks as a result. This may be useful at the beginning, but in the long run it is unsuitable.
It must not deliver different values under different conditions. Let's take a balance scale and a spring scale. We weigh a sample mass of one gram. First with the spring scale and then with the balance scale. In both cases, we get the measurement result one gram. Then we repeat the measurement on the moon. On the moon with the balance scale, we again get the measurement result one gram. The measurement result of the spring balance is much lower. With both instruments we do not measure the mass directly, but only the force with which this mass is attracted by the underlying celestial body.1 It is different on earth and moon. In the spring scale, we measure this force by a spring tension. The force is lower on the moon, so is the measurement result.
In the balance scale, we compare the force with which our sample is pulled down, with the force with which a calibrated sample is pulled down. Objects with the same mass are attracted with the same force. It is no different on the Moon than on Earth. That's why we get the same measurement result. From the constant measurement result of the balance scale, we cannot conclude that nothing has changed in the environmental conditions. In general, it means that we can never conclude from a constant measurement result that nothing has changed in the reality of the universe surrounding us. On the other hand, I cannot conclude from a changing measurement result that the thing to be measured has changed, here the mass of my sample. It could only be the changed conditions for my measuring instrument. The gram is still the same, even if the condition for the measurement result of the spring scale on the moon has changed.
Let's take an iron bar. Make two notches on it at the defined distance of one meter. We measure the length of other iron bars with that. Then we'll repeat that at different temperatures. We always get the same measured value for the length of the iron bars. From the constant measured values, we cannot conclude that the iron rods in the reality of the universe surrounding us actually have the same lengths at different temperatures. That is only in the world of perception of this instrument. Of course, you recognize very quickly that something can't be right. You can bring the measuring instrument iron bar and the iron bar to be measured to different temperatures and hold it next to each other. Then you can see how the different length also aligns with the temperature compensation of the iron rods. You can quickly see here that my measuring instrument changes under the changing environmental conditions just like the object being measured.
What about the speed of light? In the case of problems relating to the special theory of relativity, the time measurement is often carried out with light clocks. Also at Wikipedia is described in the explanation of the time dilation a light clock. The time cycle of a light clock is determined by the speed at which a light signal moves back and forth in the clock. If one measures the speed of light with such a clock, the logical consequence is, as with the iron bars, that even under different conditions the same measured value will be achieved. From this it can be concluded that even if in the human world of perception the speed of light is always measured with these measuring instruments at constant speed, it in the Reality of the universe surrounding us, can actually be different. All high-precision watches use light as the basis of the time cycle, if only on a lot smaller space. In principle, this makes no difference. What consequences this will get, I will explain later.
Time :
Another example of the problems with measuring instruments is the definition of the second. It can be defined as the 86,400mth part of a day. For a person's wristwatch it may be enough. But with increasing measurement precision and consideration of astronomical times, that is not enough. The rotation speed of the Earth varies greatly short-term. This is important in astronomical considerations and must be taken into account. And in the long term, the earth revolution is slowing down due to tidal friction. What leads to this, that the days are getting longer. The day is not a suitable basis for defining timekeeping.
Today’s definition: “The second (sign s) is defined as the 9,192,631,770 time the period duration of the radiation that the transition between the two Hyperfine structure levels of the ground state of atoms of the nuclide cesium-133 (133 Cs) correspond to.”
Have we eliminated all fundamental problems of timekeeping? No!
Since 1971, we have known through the Hafele and Keating Experiment that atomic clocks moved eastward are measured as slower-going and moved westward as going faster. Why are they doing this? It can be assumed that each system has its “own time.” Since the „own time” at westward moving clocks go faster, the clocks also have to go faster. Is the causality of the change in the time cycling actually given in this form?
Let's set an atomic clock next to a pendulum clock and synchronize it with each other. After that, we'll take them up a mountain. The distance to the the axis of rotation of the earth should not be changed, so that the speed has no influence on the clock cycle. If only the Earth's gravity is lower, then the atomic clock goes faster. On the other hand the pendulum clock is going slower. If the “own time” in the different places were the cause, then both clocks would have to behave in the same way. - Or does the pendulum clock have nothing to do with time, only the atomic clock does? I suppose both are clocks and the “own time” of a system is not the cause of the changed clock cycle, but the changed environmental conditions. That's why for me the „own time” also is no satisfactory solution for the motion.
I suppose that the atomic clock and the pendulum clock are both measuring instruments that regularly mark repetitive events and thus in principle as time measuring instruments suitable. Since they are based on different physical functions, changes in the environmental conditions also have a different influence on their measured value, as in the case of balance scale and the spring scale. This difference in time readings consists only in the world of perception of these instruments, but does not necessarily have to make a difference in the time of reality of the universe surrounding us. Of course, these measuring instruments work in the reality of the universe surrounding us exactly as the properties of this universe determine it. How, from this world of perception of the instruments, our idea of time arises, depends on the assumptions with which we provide the functioning of these instruments. I assume that all “clocks”, better all repetitive events need a certain “time”. This “measured time” in our world of perception has no fixed or absolute connection with “time itself”, or better the time of the reality of the universe surrounding us This time itself would be only part of the reality of the universe surrounding us and with that it could always be the same for everyone. Depending on the environmental conditions, the time cycle of a clock changes relative to the time itself. Unfortunately, we humans cannot measure this “time itself”, but only compare two repetitive events with each other. The result of this comparison could be a constant value. We might also find that the values are changing. But we still don't know whether one process becomes faster relative to the “time itself” or the other one slower. The whole world of perception of the mankind is as relative as these comparisons.
Space-time :
But the relativity of the measured values in our world of perception is not the only problem in the perception of space and time. We can't isolate the measurement of time. Let's take the pendulum clock. It is quite obvious that the clock’s time cycle is determined by a motion in the room. Also in the atomic clock, a motion is measured, here the motion of a photon in a smaller spatial area, but ultimately it is also a motion in space. So far, we have not found a way to measure time without changes in space. Man will probably never can.
The time doesn't stop, only because I press for break on my video player. If I live with my mind only in a computer program, then the programmer could press for break. I wouldn't know anything about it, because until the program continues I am able to observe again. And only then does my clock continue to cycle. Only if there is a slow change in the reality of the universe surrounding us and there is an information that does not participate this change, then people could notice. More on this in the summary.
What about the space. In order to determine the distance between two spatial points, we need to compare this with a measuring instrument. Since basically everything moves in the universe, my measuring instrument would also move past the space points. If I want to get reasonable readings, I have to measure at both points at the same time. Thus, the measured values of distances in three-dimensional space depend on the time. All we can perceive about space or time are four-dimensional measured values. That’s why it’s no wonder that our models contain a four-dimensional space-time. Whether space and time are also linked in the reality of the universe surrounding us is a completely different question. In any case, man cannot perceive space or time separately from each other.
Speed of light :
Back to the Hafele and Keating Experiment. We don't have to circumnavigate the entire globe right away. Let's just look at a section of maybe 10 kilometers in east-west direction. Here we install two magnetic levitation railway lines next to each other, so that 2 systems can move past each other without wobble. I don’t care if these systems are train-railway experiments or represent rockets or simply on bars fixed atomic clocks. One in the middle and one on each end. In today's measurement precision, already 100 m long bars are enough to achieve measurable effects even at the speed of sound. The clocks should output the defined second as time and on the beam in each case be synchronized with each other after Einstein's simultaneity definition. These are not inertial systems, as they rotate with the Earth. Do you only take the times of these atomic clocks as measured values and use only light signals to compare these atomic clocks, we can still measure 1 to 1 exactly what would have to be measured when comparing inertial systems. No matter if the beams rest to the earth, or move in the east or west direction. Whenever the beams move past each other, the observers measure the other bar as length-contracted and the others Clocks as correspondingly slower to the Lorentz transformations. Although we know that of the clocks moving past the other bar in the west direction the clock cycle are faster. At least as long as they do not move faster than the other bar in the east direction around the Earth's axis of rotation.2
On the beam itself, the speed of light for the back and forth path is always measured together with c. (I now want to disregard disturbing effects, for example caused by the air).
And the fact that they measure the speed of the light signals in both directions equally quickly is already the result of the spatial synchronization of the clocks after Einstein's Simultaneity Definition.
However, since it is a rotation, we have other possibilities to compare the clocks. Does the clock go on the middle of the beam with the Universal Time Coordinated UTC synchronous, then the eastward clock it late opposite the UTC and the western clock is bevore opposite the UTC. If we turn the beam around the middle, then nothing changes. The clock, initially located to the east, goes faster while turning on the way to the west. The clock, initially located to the west, goes slower than the other clocks. They do it exactly in such a way so when they arrive the oposite position, their time differs to the UTC, as the clock previously located there. This corresponds to the Sagnac effect and this is what Hafele and Keating already have in their experiment described. This is independent of the rotational speed of the beam. The faster you turn the more, an additional time dilation effect comes to bear. The slower you turn, the more can be avoided of this time dilation. The value for the Sagnac effect is always the same. If the bars rest relative to the earth, then the value of the Sagnac effect depends only on the Earth's rotational speed and distance between the clocks. If the beams move relative to the surface of the earth, then of course the other speed of rotation is to consider.
Michelson-Morley Experiment MME :
One can reduce the Michelson-Morley experiment to a one-arm measurement, which is equivalent to the Kennedy-Thorndike experiment. It can be further reduced by replacing the mirrors in the middle and at the end of the arm with clocks. These clocks emit light signals as time signals. With today's precision of clocks, this is easily feasible. Then it becomes a one-way measurement. In this case, the MME corresponds to rotating the beams, and no measurable effect occurs within the beam system. The time signals from the middle clock always arrive with a constant time difference relative to the displayed time of the end clocks. In the opposite direction, it is the same. A time signal reflected at the end clocks would always arrive at the middle clock with a constant time difference. If a one-way measurement already has no effect, then the Michelson-Morley experiment, in which only the round-trip is measured, also cannot show any effect.
The clocks on Earth are spatially synchronized in the UTC. A spatial synchronization according to Einstein's simultaneity definition would leads to measurable contradictions and is therefore wrong. Within a system, such as the clocks fixed to the beam, one can synchronize according to Einsteins simultaneity definition. In the perceptual world of these systems, the speed of light is then measured equally in both directions. But we know from UTC and satellite navigation that the speed of light measured relative to the Earth's surface is lower in the eastward direction than in the westward direction. Only on a non-rotating planet on which such a rod system rests does the reading on the clocks at the ends of the rods also correspond to the UTC of this planet. Accordingly, only in this case is the one-way measurement of the speed of light the same for both systems.
For me, there is no reason to assume that the straightforward and thus inertial motion is fundamentally different. There is no doubt that, under the valid definition of time and spatial sizes, the speed of light in each inertial system must be measured with the same value. And under Einstein's simultaneity definition, the Speed of light is also measured equally quickly in both directions. Just like in the example in the 10-kilometer section that co-rotates with the earth's surface. In the perceptual world of each individual inertial system, the speed of light has always a constant measured value. But, just like in the systems on the magnetic levitation track, these measured values do not have to agree with the reality of the universe surrounding us.
MME on Earth's orbit around the sun :
Let us transfer the effects on the Earth's surface measurable to the Earth's orbit around the sun. Again, there must be the same effects. Let's think of a ring along the Earth's orbit, which orbits the sun with the Earth. Let’s put on these ring watches and synchronize these according to the UTC. Then clocks moving faster relative to this ring, also cycle slower. And watches that move slower relative to the ring, also cycle faster. The measured light speed has also to be slower in the direction of earthmoving, and faster spread out in the opposite direction. One might think that must cause disruption in the area of satellite navigation.
I assume that the actual conditions of the universe around us correspond to the geometry of the Lorentz transformations. The Lorentz transformations have their peculiarities. Within systems that correspond to Michelson-Morley experiments, or within which measurements are made only with atomic clocks and light signals, one cannot detect any effects of differing clock rates or the propagation of light. The satellite navigation basically corresponds to a huge Michelson-Morley experiment. That is why no effects can be detected within this satellite navigation either. Only when compared with clocks synchronized according to UTC along the Earth's orbit could such effects be observed.
These effects can also be transferred further to the orbit of the sun around the centre of the Milky Way. Here, too, they must perform. Now we're almost at the straight motion. Why should it be fundamentally different with this? Just because we have no possibility to check the spatial simultaneity differently than with light signals and therefore cannot causally refute the validity of the spatial simultaneity according to Einstein's definition?
Axis of Evil :
Such effects could probably also be detected when comparing the clocks with processes outside the solar system or the Milky Way. Astronomical Measurements must be provided with endless corrections. And the effects should be only small, so that they could be quite below the measurement accuracy. But it could also the cause of the „axis of evil” in the measurement of the microwave background radiation CMB. It would be nice if there would be astronomers who would be willing to check this with me.
The speed of motion of the clocks relative to the gravitational field is decisive for the effect. Since we cannot measure this motion directly so far, it is Comparison with the CMB is not easy. If we compare the satellite clocks with a synchronization of clocks along the Earth's orbit corresponding to the UTC, then we have a clearly limited reference system. This represents a non-rotating ring. No matter how the ring moves relative to the gravitational field, every watch that has completely circumnavigated the ring has relative to the Gravitational field a longer way back. So she moved faster and must have gone slower in sum.
When comparing the clock cycle with the CMB, we can precisely determine the speed of motion relative to the CMB, i.e. the dipole. A state of motion in which no dipole is measured, could be considered as a calm to the CMB. However, it could still mean a motion to the ruling gravitational field. Then a clock resting in the gravitational field observes a measurable dipole. It would still go faster than the clock resting to the CMB.
In a ring that does not rotate to the gravitational field, the clocks can be synchronized accordingly to the UTC. When this ring moves sideways to the gravitational field, then in this system there is nevertheless a synchronization gradient compared to a ring resting in the gravitational field, in which the clocks of the UTC are synchronized accordingly.
If you now move a clock along a ring that moves sideways to the gravitational field, then it goes in each section exactly about the amount slower, the time dilation for this speed and distance corresponds. The Sagnac-Effekt is 0. The clocks on the ring move straight through the gravitational field, but this watch in a sinusoidal curve. It has made a longer way through the gravitational field with each re-encounter with a different clock of the ring (each after a complete circumnavigation). It was therefore faster and must accordingly have gone slower. On one side of the ring, the watch actually moves faster to the gravitational field than the other clocks. On the other side of the ring, it is necessarily slower. That is why the clock actually goes faster than the other clocks in the reality of the universe surrounding us in this area. Nevertheless, it also becomes in each subsection of this area, measured as cycling slower.
Coincidence :
Here I would like to make clear another of my assumptions and I have to go out of it. I believe that everything in the reality of the universe surrounding us causal expires and that this is also logically comprehensible. This also applies, for example, to radioactivity. I can imagine a model of how the events in the atom are going. According to this model it is a very causal process. Of course, this model does not correspond to the actual conditions in the reality of the universe surrounding us. But I think that it is also in the independent reality a completely causal process that provokes radioactivity. Only we humans are not yet in a position to understand this process and to transfer it into our world of perception and thought. Maybe we will never be able to do that either.
A more vivid example of this, that supposedly “random” sequences are actually causal, is the roulette. You might think that roulette delivers purely random results. Why do you have to replace the croupier after some time? It is to be done, because you have found that croupiers, depending on the previous number, where they the pick up the ball and then get the wheel going, throw the ball into a particular sector of the wheel. Logical, this can only be if the process contains a causality and is not pure “coincident”. Even if we can’t calculate this causality, the result in roulette is not a random result.
Entangled light particles :
What about the strange remote effect of entangled particles of light? If the measurement of our own particle determines the result of the measurement of the other particle, then there is a causal connection. No matter how this connection may be transferred. I would like to call it information. If no such exchange of information has taken place, then we did not determine the measurement result of the other particle with the own measurement. Then the measurement result could be in the reality of the universe surrounding us have already been determined at the entanglement. And only with our measurement, this measurement result is determined in our world of perception. Then there is in our world of perception a mysterious remote effect. In reality, in the universe that surrounds us, this would not have happened at all.
Or there is this remote effect. Anton Zeilinger once described this measurement in such a way that it is logical to derive from this a possibility for Morse marks to send. With the help of these Morse marks, you could also send time signals. Within the time it would take for the other observer to send back the answer, one could the spatial simultaneity causally narrow. This should only take seconds with instantaneous remote effect even with an observer 50 light-years away. Let's position more Observers in between. Then a causal universal simultaneity plane would result here with measurement inaccuracy amounting to only seconds.
We could now move inertial systems along this line. These should syncronise their clocks as required in the special theory of relativity. Then all effects can also be traced just as it emerges from the special theory of relativity. Just as described above for the motion of watch systems along the magnetic levitation railway tracks. But only in one of the inertial systems can the spatial synchronization of the clocks match with the spatial synchronization along this line. In all other inertial systems, it deviates. This could show that these spatial synchronizations according to Einstein’s simultaneity definition Causally wrong. Then the conditions in rotation and inertial motion would be the same.
We can spatially synchronize the clocks in inertial system according to Einstein's simultaneity definition. But then the perceptual world of these inertial systems would be an 'optical illusion,' because we are misinterpreting our measuring instruments. It can also be said that the deception arises, because we calibrate our measuring instruments wrong.
I don't want to go into this remote effect any further, because I don't really like it either. But it would easily be compatible with a gravitational field to which you can move and to which the speed of light is constant. In my view, this solution would also be much easier to explain all the observed phenomena.
Gravitational field :
Sometimes gravitational effects are explained with a stretched rubber mat on which balls roll around. The rubber mat is a wonderful medium to which one can move. Needles can be inserted for marking and the motion of the balls to the preferred preferred frame of reference can be described exactly. An idea that I like. You can't stick a needle into the gravitational field that surrounds us, but if you're willing to accept the existence of such a field, you can also think about what effects it might have. In particular, one might consider how to measure a motion in a gravitational field. I presented one of the possibilities at the DPG conference in 2021. An you could look it up under www.darmer.de/smuk2021.
I assume that the gravitational field is formed by all the mass particles of this universe. I don't want to worry about how exactly that happens or what this field might be made of. However, I can observe that mass particles influence each other and there must be something between them. I want to call it a medium. You can imagine a rubber mat or a tough liquid, but these have got concrete properties, just like it was thought about the ether. I want to think about this medium as it is used to think about dark matter. The only known property of dark matter to date is that it complements the mathematical formulas, so that these describe also the motion of the too fast moving celestial bodies. The gravitational medium should also have only exactly the properties that can also be observed.
Let's start from a dormant medium, such as a rubber mat, but without its further properties. When the medium is formed by the mass particles of the universe, then it would also have to be influenced by mass particles that move to the medium.The relationship should be like that of the prevailing medium in relation to the fields of the moving mass particles. The resulting medium should then also move somewhat in the direction of the moving particles, relative to the surrounding stationary medium. This effect then also decreases with increasing distance from the mass particles. What consequences would that have?
The sun would lead with its rotation to a gravitational field rotating in its immediate vicinity. That would then also lead to the anomaly in the rotation of the perihelion of the Mercury. Einstein meant that would only be a superposition of the gravitational field to which one cannot move (there would be no preferred reference field) and that is why it can not move itself. But what would be the difference in the view? Observing the anomaly in Mercury's perihelion would be the same and the formulas for calculation would be the same. Only the idea of what the underlying reality of the universe surrounding us might actually look like would be another. The earth rotation must then have a similar effect, as the general theory of relativity predicts and has now also been experimentally proven. This is called ship effect, frame dragging or Lense-Thirring-Effekt.
But if this is not only a purely rotational mathematical superposition of the gravitational field, but an actually plastic one motion of the field, then an approximately straight-line motion of masses must also have an effect. Like the motion of the earth on its orbit around the sun.
That could explain the fly-by anomaly of space probes.If they move past the earth, they would also have to pass through the gravitational field dragged from the Earth and would experience a small thrust in the direction of the earth motion.If they move after the passage in the direction of the earth around the sun, then we would measure a slightly higher speed, as they should actually have without this effect. As far as I know, no spacecraft have left the Earth's environment in the opposite direction. In this direction, they would have to move away from the earth a little slower than you would expect. It will be more difficult to measure this effect when they move away perpendicular to Earth's orbit, for example because they are sent to more distant planets. Here, too, this effect would have to accelerate them towards the Earth's orbit. Which does not lead to faster moving away from the earth, but their further path should differ in the direction of the earth's motion. If we can determine the speed of a probe relative to Earth very precisely by the Doppler effect, the calculation of the expected direction with which the probes should continue to fly after the Earth passage is much more difficult to determine. Therefore, this effect could be concealed, caused by the measurement inaccuracy.
There is another celestial body where we can observe this effect. The motion of the sun must also produce such an effect.
And there is a celestial body that has raced through the solar system and then leaves it at a slightly lower drop in speed than expected. For this effect, the direction of the sun motion relative to the Milky Way center should be decisive, rather than the speed within the local group. The orbit and speed of the sun is determined by the gravitational field of the Milky Way, not by the local group. And Oumuamua is again moving away from the sun, in the sun’s direction around the Milky Way Center. Under my idea of the gravitational field, the celestial body should receive a small acceleration in the sun’s direction of motion. Which leads to the measured effect.
If the motion of masses has an effect on the resulting gravitational field,then the aligned motion of the masses, determining the local gravitational field, should have an even greater effect. This could cause the gravitational field of spiral galaxies to rotate as well. Since this gravitational field is decisive for the centripetal force, the stars move relative to the locally prevailing gravitational field exactly at the speed they would have to have because of the visible matter. Only considered from the outside, they seem to be moving too fast.
Interpretation of mathematical formulas :
The interpretation of mathematical formulas has its limits, especially when we approach singularities. In these cases, we can be almost reliable making statements only if we have actually investigated this area experimentally. We also need to study this area with measurement methods other than those on which the mathematical Formulas are based. Otherwise, we measure the lengths of iron bars with iron bars, or the speed of light with light signals.
I would like to use the formula for the illuminance of a light source to present the problem of singularities in these mathematical formulas.
The illuminance is measured in the SI unit lux (lx). 1 lx = 1 lm/m2
It states the illuminance of a light source is the light intensity by the distance in the square. If you double the distance, the illuminance is only quarter. But you can also reverse this and reduce the distance further and further. If you move from 10 meters to 5 meters from a candle flame, then its illuminance becomes quadrupled. But how do I approach a candle flame from one millimeter to half a millimeter, if the candle flame itself is 5 millimeters thick? And what about the Planck length? Mathematically only, I can also shorten the distance to a point-shaped light source under the Planck length. If the distance approaches the distance to 0, the value of the illuminance approaches the Infinite. From the formula itself alone, we cannot see that it is losing its validity here. But we can already solve the problem with our senses from a different point of view.
What about the black shield horizon or the speed of light? Of course, I can imagine that the formula shows that an overlight speed would have to reverse time. In the reality of the thought world of man, this mathematical gimmick has its justification. But I assume it has nothing to do with the reality of the universe surrounding us.
Mathematics :
I'm not a mathematician or a theoretical physicist. I can only put together actual observations and the associated assumptions, such as puzzle pieces and check if they fit together logically and causally. I have not yet come to any conclusion whether mathematics belongs only to the reality of the thought world of man or, whether it also belongs to the reality of the universe surrounding us. Ultimately, that doesn't matter. Do we approach the reality of the universe that surrounds us with our ideas or not, depends only on how exactly our idea of the functioning of our measuring instruments and the assumptions necessary for the interpretation of these measuring instruments, with that of Human thought independent reality of the universe surrounding us agree.
If we can sort our measured values mathematically without contradiction, then the corresponding idea could also be of the reality of the universe surrounding us corresponding. If we cannot mathematically sort these measured values without contradiction, our idea of the reality of the universe surrounding us could be false. But we could even have not yet found the appropriate formula. From mathematics alone, we cannot discern, as with the formula for luminous intensity, what the reality of the universe surrounding us actually is.
For the anomaly in the peri-helion of Mercury (not alone, of course) we decided in the situation to change the mathematical formulas. On the other hand, we have decided to change the assumptions about the reality of the universe surrounding us in the case of the stars in the galaxies that are moving too fast.
For the reasons mentioned above, I am of the opinion that it was the wrong way in the second case. I'm not able to come up with a formula by which my imaginations could match with the actual measurements of the stars. I am even less able to do this with the possibly freely accessible observational data from astronomy. This would have to be done by mathematicians or astronomers who would really be willing to question their own ideas and follow other thought processes.
The formulas of the general theory of relativity, in my opinion, already offer a good approach, because they describe the anomaly in the perihelion of Mercury and the Lense-Thirring-Effekt. However, such effects should not only be allowed in the rotation of masses, but also in their straight-line motion. That, of course, is incompatible with the notion of an absolute constancy of the speed of light. In my opinion, this assumption or the corresponding postulate in the special theory of relativity prevents us from the realistic Assessment of the universe surrounding us.
Summary :
What I lack in modern science is a clearer differentiation and outline in observational facts that are evidenced by experiments and therefor needed assumptions that have to be made, to interpret the measurement results of the experiments. These assumptions remain assumptions and never become proven facts, as it is gladly presented. These assumptions could only be refuted as “Probably not valid”.
Also, it is too rarely made clear what is experimentally proven and what is only the conclusion of a theoretical assumption. For the use of ideas that follow purely from theory, the use of the subjunctive should become common. In general, I lack a list of all the assumptions that are for the logical correctness of a statement are needed.
First example: To conclude that from the observational fact that the general redshift of the spectral lines increases with increasing distance, that the universe expands, more assumptions have to be made than probably most physicists can imagine.
Second example: In terms of measurement, the moon should slowly move away from the Earth. But no matter where we look around the universe, everywhere the mass has a tendency increasingly clumping. Neutron stars or black holes are said to circle around each other and then plunge into each other. Why should the moon move away from the Earth?
The most important assumption for both examples is that our atomic clocks provide a constant measure of time. What if the period of the radiation corresponding to the transition between the two hyperfine structure levels of the ground state of atoms of the caesium-133 (133Cs) nucleus gradually decreases. This would also shift the corresponding spectral line toward the blue. Naturally, this would apply to all spectral lines. Relative to the current position of the spectral lines, those contained in the starlight, would be shifted more to the red as longer as they were moving. This redshift of the spectral lines would then have nothing to do with a Doppler effect.
The reading for the time a laser signal needs to the moon and back would become greater. But that would have nothing to do with an increasing distance, but with a faster cycling of the atomic clocks. The Hubble constant is roughly equivalent to the speed at which the moon moves away from Earth.
With this article, I want to make it clear that reality has no limits in the thought world of man. The of us independent reality of the surrounding universe is something completely independent of it. In order to get closer to this reality, there are considerable obstacles for humans. Probably humans are not capable to ever recognize this reality correctly. He will only ever be able to make relative models of it in his world of thought. Just as relative as the relativity of his measuring instruments is. Also when his models, which he develops from the measured values, are principly uncertain, I believe that the processes in the reality of the universe surrounding us are both causal and exact. So far for me there is no reason to doubt it.
At this point, I would like to ask all those interested in theoretical physics and mathematics: If one of the postulate of the special theory of relativity is to be wrong, would this even have a meaning for the mathematical geometry of the general theory of relativity? For the geometry of the Lorentz transformations, this would have none Meaning.
Perhaps the formulas of ART could explain the whole of the motion phenomena observed in the universe even without dark matter, if they were so from the shackles of the SRT would be liberated. Could it be possible that only slightly changes of these formulas could do it?
Meine Bücher sind auch im Ausland erhältlich:
deutsch: Die Relativität des Beobachers und die Gravitation
ISBN: 978-3-7557-1725-6
english: The Relativity of the Observer and the Gravitation
ISBN: 978-3-7557-4026-1
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