Physik

„Menschliche Physiker sind nicht allwissend
und werden es nie sein“ ([1] S. 19)

Ja, sicher wird die Physik nicht von einem Physiker gemacht. Es ist eine Physiker-Gemeinde, die sich im Ringen um Wissen zu einer geltenden Lehrmeinung durchringen muss.
Nicht immer kann sie das. So leben manchmal mehrere Lehrmeinungen nebeneinander. Damit ist auch gar nicht gesagt, dass die eine oder andere Meinung nun die richtige sei. Vielmehr erklärt die eine Meinung Effekte, die unter anderen Bedingungen besser mit der anderen Meinung zu erklären sind.

In der heutigen Physik-Landschaft, wo die klassische Physik in der Schule gelehrt wird, die Relativitätstheorie als gesichert gilt und die Quantentheorie ihren Platz behauptet, bleibt der durchschnittliche Physik-Interessierte auf der Strecke. Es ist ihm unmöglich, eine Entscheidung über die Richtigkeit oder Fehlerhaftigkeit von Theorien zu treffen. Zu einleuchtend sind die Wissensangebote der Medien, die mit bombastischen Computersimulationen die widersinnigsten Theorien visualisieren können. Der physikalische Laie konsumiert diese populärwissenschaftlichen, medialen Ereignisse und geht mit der Befriedigung, das Problem vollständig verstanden zu haben.

Manchmal hat er es aber auch nicht verstanden. Dann macht sich in ihm ein Unmut breit. Stürzt jetzt sein so schwer erarbeitetes Wissensgebäude ein?
Wenn er wenigstens so weit kommt, diesen Unmut in Fragen umzumünzen, hat er die Chance zur Aufklärung.

Auf dieser Seite sollen solche Fragen aufgeworfen und diskutiert werden. Es wird nicht die Physik vermittelt. Eher werden vereinzelte Probleme und Fragen herausgegriffen und untersucht.
Wenn damit Widersprüche zur Lehrmeinung aufgezeigt werden, treibt es diese nach vorn. Zeigen sich Fehler in der Diskussion der Fragen, bringt es mich nach vorn.

Mechanik / Der akustische Doppler-Effekt

Man steht am Bahndamm und beobachtet einen herannahenden Zug, der an einem vorbei fährt und sich dann wieder entfernt. Jedermann ist das Geräusch bekannt, dass der Zug dabei erzeugt. Herannahend sendet er höhere Töne aus als beim Wegfahren.

Dieser in der Schule gelehrte Effekt ist durch die praktische Anwendung hinlänglich bekannt. Dabei wird allgemein unterstellt, dass dieser Wechsel von den hohen Tönen zu den niederen Tönen gerade dann stattfindet, wenn sich der Zug zum Beobachter am Bahndamm gerade in der 90°-Position befindet, also er sich im Lotpunkt des Beobachter zur Schiene aufhält.

Diese Annahme mag für praktische Belange auch ausreichend sein, wenn man beachtet, dass die Position des Zuges im Lotpunkt wegen der Länge des Zuges schlecht zu bestimmen ist.

Doch wie verhält sich dieser Umstand physikalisch genau? Das wird im folgenden Artikel gezeigt.

Der akustische Doppler-Effekt

Doppler-Berechnung

Mechanik / Der optische Doppler-Effekt

Der optische Doppler-Effekt bezieht sich auf die Ausbreitung des Lichts und dessen Wahrnehmung. In seiner Arbeit von 1905 hat Einstein diesen Effekt unter den Prämissen der speziellen Relativitätstheorie hergeleitet. Daraus leitet sich dann der transversale Doppler-Effekt ab, mit dem die Zeitdilatation bewiesen werden soll.

Doch ist es tatsächlich nur die Relativitätstheorie, die diesen Effekt erklären kann? Ist es vielleicht möglich, mit den einfachen Mitteln der klassischen Physik einen ähnlichen Effekt nachzuweisen?

In diesem Artikel wird gezeigt, dass es möglich ist, Frequenzverschiebungen des Lichts aufgrund von Relativbewegungen ganz ohne Zeitdilatation zu erklären. Selbst wenn die Versuchsergebnisse zum Nachweis der transversalen Doppler-Effekts eher die Richtigkeit der von Einstein gefundenen Formel beweisen, bleibt doch die Frage offen, ob eine Frequenzverschiebung des Lichts auch grundsätzlich mit einer Zeitverschiebung gleichzusetzen ist.

Der optische Doppler-Effekt

Mechanik / Energie im Kraftfeld

Die Formeln für die Energie im Kraftfeld sind bekannt. Die potentielle Energie ist mit „m mal g mal h“ in das Bewusstsein aller Schüler eingegraben. Dass sich daraus dann sehr einfach die kinetische Energie ermitteln lässt, die ein Körper erfährt, wenn er an potentieller Energie verliert, ist kein großes Kunststück.

Diese Zusammenhänge gelten aber nur im erdnahen Bereich, wo die Erdbeschleunigung mit 9,81m/s² als konstant angenommen werden kann.

Wie verhält es aber, wenn die Gravitation als Veränderliche der Höhe angenommen wird. Das ist im folgenden Artikel dargelegt. Ohne Anspruch auf Erfindung von Neuheiten erheben zu wollen, dient diese Darlegung doch als gute Grundlage für tiefergreifende Überlegungen zu Effekten im Gravitationsfeld eines Himmelskörpers.

Energie im Kraftfeld

Mechanik / Der freie Fall

Einerseits hätte schon immer die Frage interessieren sollen, welchen Zusammenhang es zwischen der Zeitdilatation, die aus der Geschwindigkeit resultiert und der, die aus dem Gravitationsgefälle abzuleiten ist, gibt. Und andererseits ist die Frage nach einer exakten
Formel für den Verlauf einer Wurfkurve offen, denn die Wurfparabel gilt bekanntermaßen
nur in Gravitationsfeldern mit konstanter Schwerebeschleunigung.
Es wird gezeigt, dass es zwischen diesen beiden Problemen einen Zusammenhang gibt, der von der Lösung der exakten Wurfkurve zum Nachweis der Identität der beiden Zeitdilatationen führt.

freier Fall

Mechanik / Das machsche Paradoxon

Was sagt es aus und warum ist es paradox?

Im folgenden Artikel wird dem Problem auf den Grund gegangen, welche Bedeutung der Fixsternhimmel für die Entscheidung für oder wider den absoluten Raum hat. Ebenso ist es fraglich, wie E. Mach darauf kommt, dass der Fixsternhimmel Einfluss auf die Trägheit der im Raum bewegten Massen hat, der Raum selbst aber als relativ anzunehmen ist.

In diesem Artikel werden die Argumente von Newton und Mach diskutiert und eine Lösung daraus abgeleitet, die anders ist, als es seitens der Wissenschaft proklamiert wird.

machsches Paradoxon

Mechanik / Trägheit

Die Trägheit spielt eine wesentliche Rolle bei der Entscheidung, ob der Raum ein absoluter oder doch nur ein relativer Raum ist.

Also ist die Frage, was ist die Trägheit? Wie ist sie mit der Masse verknüpft? Welche Aussagen sind aus der Existenz der Trägheit abzuleiten?

Nach einer Diskussion verschiedener Fälle der Trägheit kommt der nächste Artikel zu einem frappierenden Schluss.

Trägheit

Optik / Interferenz

Interferenzen zu nutzen, um kleinste Änderungen physikalischer Größen in einem Prozess zu detektieren, ist eine spannenden Sache. Gestaltet man diese Interferenzen auch noch bunt, sieht das Ganze sehr ansprechend aus.

Doch wie verhält es sich, wenn man Interferenzen am Doppelspalt generiert? Kann man von den Interferenzmustern auf die Ursachen der Interferenz schließen?

Der hier zu findende Artikel gibt Aufschluss über diese Fragen.

(wer das im zugehörigen Artikel beschriebene Programm zum Ausprobieren haben möchte, kann es per E-Mail anfordern – rolf.sydow@googlemail.com -)

Interferenzen

LT / Koordinatentransformation

Die Lorentz-Transformation, wie sie von Einstein hergeleitet wurde, ist eine eindeutige Rechenvorschrift zur raumzeitlichen Transformation von Koordinaten eines Inertialsystems in ein relativ dazu bewegtes Inertialsystem.

Mithilfe dieser Rechenvorschrift werden üblicherweise die Längenkontraktion und die Zeitdilatation hergeleitet. Doch diese Herleitung führt zu hinreichender Irritation.

Im folgenden Artikel werden diese Irritationen aufgezeigt und eine schlüssigere Interpretation der Längenkontraktion vorgeschlagen.

Koordinatentransformation

LT / Über kurz oder lang

Was ist es, das die spezielle Relativitätstheorie so unverständlich macht? Ist es tatsächlich das eigene Unvermögen, den relativistischen Formalismus zu verstehen?

In diesem Artikel wird gezeigt, dass das Unverständnis zwangsläufig vorprogrammiert ist, das der mathematische Formalismus der Herleitung von Längenkontraktion und Zeitdilatation jede erdenkliche Lösung zulässt. Es wird gezeigt, dass es möglich ist, sowohl eine Längenkontraktion als auch eine Längendilatation herzuleiten. Das gilt für die Zeit entsprechend.

Die dafür zuständige Ursache wird ergründet und der Lösungsansatz aufgezeigt.

Über kurz oder lang

LT / Die Geschwindigkeitstransformation in der SRT

Mit der Einführung der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit musste Einstein auch die Addition von Geschwindigkeiten neu herleiten.

Eigentlich ist es keine Addition von Geschwindigkeiten. Es ist eine Transformation derselben. Schließlich geht es dabei um die Betrachtung einer Geschwindigkeit im eigenen Inertialsystem in Relation zur der Geschwindigkeit, wie sie ein anderer Beobachter in seinem Inertialsystem wahrnehmen würde.

Im folgenden Artikel wird der Frage nachgegangen, wie sich diese Betrachtung darstellen würde, wenn man davon ausginge, dass sich die Geschwindigkeiten immer auch als Verhältnisse zur Lichtgeschwindigkeit darstellen ließen. Das Ergebnis dieser Überlegung hat erstaunliche Ähnlichkeit mit dem Ergebnis der einsteinschen Geschwindigkeitstransformation. Dass es aber bei der gefundenen Formel über den Bereich von – c bis +c nicht zu einer stetigen Funktion kommt, lässt an der Richtigkeit zweifeln. Dennoch ist der Ansatz der Überlegung nicht von der Hand zu weisen und sollte diskutiert werden.

Die Geschwindigkeits-transformation in der SRT

LT / Geschwindigkeitstransformation

Im folgenden Artikel sind lediglich noch einige Facetten der relativistischen Geschwindigkeitstransformation dargelegt.

Geschwindigkeits-transformation

LT / Die Krux mit der Lorentz-Transformation

Es gibt ein Problem im Rahmen der speziellen Relativitätstheorie, dass sofort zur Widerlegung derselben herangezogen werden kann.

Dieses Problem lässt sich mit einfachen Worten wie folgt formulieren. Misst ein Beobachter B₁ den Zeitlauf t₂ in einem relativ zu ihm bewegten Inertialsystem I₂ als langsamer im Verhältnis zu seiner eigenen Zeit t₁, dann sollte wegen des Relativitätsprinzips der Beobachter B₂ aus dem bewegten System I₂ die Zeit im System I₁ des einen Beobachters B₁ ebenfalls gegenüber seiner eigenen Zeit t₂ langsamer vergehen sehen.

Damit würde er aber der Beobachter B₂ die bereits von Beobachter B₁ als verkürzt erkannte Zeit des Beobachters B₂ noch einmal als verkürzt annehmen. Man könnte meinen, dass der Beobachter B₂ seine eigene Zeit verkürzt wahrnimmt.

Es scheint verrückt und schreit nach Aufklärung. Im folgenden Artikel wird das Problem diskutiert.

Die Krux mit der Lorentz-Transformation

LT / Die relativistische Beschleunigung

Kann es im Rahmen der speziellen Relativitätstheorie überhaupt eine Beschleunigung geben? Einerseits wird davon gesprochen, dass sich die Beobachter in Inertialsystemen befinden müssen und diese sind nun mal unbeschleunigt. Andererseits wird behauptet, dass die zeitlichen Prozesse in allen Inertialsystemen nach denselben Gesetzmäßigkeiten ablaufen.

Der folgende Artikel geht der Frage nach, welche Formeln es zur relativistischen Transformation von Beschleunigungsgleichungen gibt. Weiter wird die Frage angerissen, ob eine Zeitdilatation aus der Beschleunigung herrührt oder ob allein die Relativgeschwindigkeit zu einer solchen führt.

Die relativistische Beschleunigung

LT / Die Interpretation der Lorentz-Transformation

Eigentlich ist die Lorentz-Transformation schon ausreichend oft interpretiert worden. Was also soll eine weitere Interpretation?

Man stelle sich vor, um eine Lichtquelle befinde sich eine Spiegelkugel. Damit wäre es möglich, das ausgesendete Licht wieder zum Ausgangsort zurück zu spiegeln. Damit steht die Frage, wie diese ‚Spiegelkugel‘ geformt sein muss, dass ein Beobachter, der ggf. auch einer Relativbewegung unterliegt, die Lichtsignale der von der Lichtquelle in alle Richtungen ausgesendeten Lichtfront gleichzeitig wieder zu empfangen.

Es werden im folgenden Artikel die Auswirkungen der Lorentz-Transformation auf die Form einer solchen Spiegelkugel untersucht.

Die Interpretation der Lorentz-Transformation

RT / Zeit

Die Zeit ist eine außergewöhnliche physikalische Größe. Mancheiner hat viel davon und mancher gibt mir Zeit, etwas zu tun. Der Zeitbegriff ist tief verwurzelt im Bewußtsein des Menschen.

Und doch stellt sich die Frage, ob die Zeit tatsächlich real ist. Die Frage nach der Realität der Zeit ist unbedingt zu differenzieren. In philosophischer Hinsicht gibt es da wohl keinen Zweifel. Doch in physikalischer Hinsicht sollte man nochmal darüber nachdenken.

Zeit

RT / Frequenzverschiebung

Um die Relativitätstheorie zu beweisen, werden immer wieder Messungen an Lichtwellen durchgeführt, deren Frequenzen sich durch relativistische Einflüsse ändern. Mit diesen ‚Frequenzverschiebungen‘ soll dann eine Zeitdilatation nachgewiesen werden, aus der dann die Richtigkeit der Relativitätstheorie geschlossen wird.

Es wird in diesem Artikel untersucht, inwieweit eine Frequenzänderung mit der Zeitdilatation gleichzusetzen ist. Auch wird die Frage aufgeworfen, ob es überhaupt eine Zeitdilatation geben kann.

Frequenzverschiebung

RT / Das Gravitationspotential

Sich hier zu finden, ist eine simple Sache. Es gibt Definitionen und Formeln, die das Gravitationspotential eines Körpers beschreiben. Die Verwendung der Mehrzahl des Begriffs ‚Formel‘ ist dabei schon richtig gewählt. Je nach dem welcher Genauigkeitsgrad zur Ermittlung des Gravitationspotentials benötigt wird, werden andere Formeln herangezogen. Also ist zuerst die Frage zu beantworten, welche Formel zu benutzen ist, wenn man absolut genau sein möchte.

Alsdann steht die Frage, welchen Einfluss das Potential auf die Zeitdilatation ausübt. Die Lösung dieser Frage führt dann dazu, sich Gedanken zu machen, wie die Zeitdilatation ausfallen wird, wenn sich die Gravitationsfelder unterschiedlicher Massen überlagern.

Letztlich sollten die gewonnenen Erkenntnisse auf einen praktischen Versuch angewendet werden. Die Schlussfolgerungen sind phänomenal.

Das Gravitationspotential

RT / Auswertung des Hafele-Keating-Experiments

Dem Hafele-Keating-Experiment haftet der Makel an, dass die Genauigkeit der Zeitmessung unmöglich mit den eingesetzten Mitteln zu erreichen war. Die Genauigkeit der verwendeten Atomuhren ist dabei nur die halbe Wahrheit. Der Einfluss der Höhe des Flugzeugs allein beim Start und der Landung sollte nicht vernachlässigbar sein. Auch die Flugrouten auf Großkreisen und die damit verbundene Änderung der geografischen Breite sollten entsprechenden Einfluss haben.

Da all diese Einflüsse und viele Einflüsse mehr nicht offengelegt sind (also der Allgemeinheit nicht zugänglich sind), verhärtet sich der Verdacht, dass hier etwas nicht stimmt mit der von den Versuchsdurchführenden angegebenen Genauigkeit.

Dabei sind es ganz einfache Kontrollen der in den Veröffentlichungen abgegebenen Daten, die zu berechtigten Zweifeln führen. Letztlich zeigt aber auch die Analyse des Versuchs selbst, dass er alles beweist, aber er beweist nicht die spezielle Relativitätstheorie.

Auswertung des Hafele-Keating-Experiments

Tabelle zum Spielen

RT / Ives und der Doppler-Effekt

Der transversale Doppler-Effekt; die einen sagen, sie haben ihn praktisch nachweisen können und die anderen gehen davon aus, dass es ihn gar nicht gibt.

Mit dem Versuch von Ives und Stilwell wurde erstmals eine Möglichkeit gezeigt, wie der transversale Doppler-Effekt nachzuweisen sein könnte.

Ives und der Doppler-Effekt

RT / Der Versuch von Pound und Rebka

Es ist eine grandiose Leistung, über den Höhenunterschied von nur etwa 22,5 m eine Frequenzverschiebung aus dem sich über diese Höhendifferenz ändernden Gravitationspotential zu ermitteln.

Ob diese Leistung mit dem von Pound und Rebka durchgeführten Versuch zweifelsfrei gelungen ist, bleibt wohl zu bezweifeln.

Der Versuch von Pound und Rebka

RT / Frequenz-Zeitdilatation

Wenn die Zeitdilatation gemessen werden soll, wird sehr häufig die Frequenz des Lichts herangezogen. Es wird unterstellt, dass mit der Frequenzänderung des Lichts die Zeitdilatation nachgewiesen ist.

Wie hier die physikalischen Zusammenhänge sich und dass der Rückschluss von der Frequenz auf die Zeitdilatation nicht korrekt ist, wird in diesem Artikel gezeigt.

Die Zeitdilatation im Gravitationsfeld

RT / de Sitter Aberration

Was hat de Sitter mit Aberration zu tun?

Er untersuchte das von Doppelsternsystemen kommende Licht und fasste die Erde als ruhenden Empfänger auf. Kann es in diesem Fall überhaupt eine Aberration geben?

In diesem Artikel wird gezeigt, was die aktive Aberration ist, dass sie existieren muss und wie groß die Auswirkungen auf die Untersuchungen de Sitters sind.

de Sitter

Literatur

[1] Keil, G.: Willensfreiheit, Grundthemen Philosophie
Walter De Gruyter Berlin 3. Aufl. 2017
https://www.degruyter.com/document/doi/10.1515/9783110534511/pdf