Die Spezielle Relativitätstheorie

GRUNDLAGEN, GRENZEN, MÖGLICHE ERGÄNZUNGEN UND VORSCHLÄGE FÜR KLÄRUNGSVERSUCHE

Gerhard W. Borst


Das wichtigste Ergebnis der vorliegenden Untersuchungen ist, dass die Phasengeschwindigkeit des Lichts und nicht die Lichtgeschwindigkeit auf klassische Experimente anzuwenden ist, wenn ausgesendete und wieder eingehende Lichtstrahlen in bewegten Systemen untersucht werden. Die Vergleiche, die üblicherweise mit Interferenzmessungen vorgenommen werden, sind ansonsten unvollständig. Eine Neuinterpretation des Michelson-Morley- und Kennedy-Thorndike-Experiments führen zu veränderten Ergebnissen. Diese Neubetrachtung hat auch einen großen Einfluss auf andere wichtige Zusammenhänge, wie es z. B. für die Spezielle Relativitätstheorie (SRT) der Fall ist.

Grundlagen

Zur Formulierung der SRT wurde von Einstein ein Ansatz gewählt, dessen Grundlagen das „Relativitätsprinzip“ und die „Konstanz der Lichtgeschwindigkeit“ sind und im Ursprung keine physikalische Formel enthält. Aus diesem „Top-down“ Ansatz lassen sich die Lorentz-Transformation und die relativistische Zunahme der kinetischen Energie, später auch bezeichnet als Relativistischer Massenanstieg, ableiten.

Überraschend ist, dass es bis heute keine einheitliche Formulierung der beiden zentralen Prinzipien gibt. Jeder Autor einer Publikation über die SRT wählt hierzu seinen eigenen Ansatz. Die Darstellungen lassen sich grundsätzlich in „Objektives Beobachtungskriterium“ und „Axiom“ aufteilen. Objektives Kriterium bedeutet zunächst für das Relativitätsprinzip:

1. Die Durchführung von beliebigen physikalischen Versuchen führt in allen Inertialsystemen zu den gleichen Ergebnissen.

Dieser Ansatz wurde auch von Einstein gewählt. Die Darstellung als „Axiom“ beinhaltet dagegen die Aussage „Alle Inertialsysteme sind gleich“. Bei neueren Publikationen wird eher (aber nicht ausschließlich) der axiomatische Ansatz benutzt. Bei genauer Interpretation beinhaltet dieser jedoch bereits die Aussage, dass ein System absoluter Ruhe nicht existieren kann, wofür es aber bis heute aber keinen experimentellen Beweis gibt (allerdings auch keinen Gegenbeweis). Um dies offen zu halten, wird daher im Folgenden der klassische Ansatz für dieses Grundprinzip gewählt.

Wird als zweites Kriterium die Lichtgeschwindigkeit betrachtet, so gilt hier das gleiche wie bereits zuvor dargestellt; es gibt auch hier für verschiedene Inertialsysteme die Unterschiede zwischen den Aussagen „es lassen sich keine Unterschiede feststellen“ und „die Lichtgeschwindigkeit ist immer gleich“. Als wesentliches Resultat der hier durchgeführten Untersuchungen zeigt sich, dass bei der Beobachtung von Schwingungen einer Lichtquelle aus beliebig vielen zueinander bewegten Inertialsystemen die Phasengeschwindigkeit des Lichts die einzig sinnvolle Größe ist, um widerspruchsfreie Ergebnisse zu erhalten. Wird stattdessen die Lichtgeschwindigkeit genutzt – es wie heute noch vielfach üblich ist – so folgen für unterschiedlich bewegte Beobachter abweichende Interpretationen bezüglich der Schwingungsanzahl aus dieser Quelle und damit auch für Interferenzbetrachtungen.

Der Vorschlag für eine widerspruchsfreie und eindeutige Formulierung des zweiten Prinzips der SRT lautet demnach:

2. Die Phasengeschwindigkeit des Lichts ist in allen Inertialsystemen invariant und entspricht dem in jedem Inertialsystem messbaren Wert der Lichtgeschwindigkeit.

Die hier durchgeführten Untersuchungen haben jedoch auch gezeigt, dass ebenfalls ein „Bottom-up“ Ansatz mit einer Erweiterten Lorentz-Theorie möglich ist. Dabei werden die erforderlichen physikalischen Grundgesetze definiert und daraus lässt sich dann das Relativitätsprinzip ableiten. Dieser Ansatz lautet folgendermaßen:

1. Aus der unbegrenzten Anzahl der vorhandenen Inertialsysteme wird eines als Basissystem ausgewählt und mit Index 0 gekennzeichnet.

2. In diesem Basissystem weisen Messungen der Geschwindigkeit des Lichts in alle Richtungen den gleichen Wert c auf.

3. Die Eigenschaften aller anderen Inertialsysteme sind über deren Relativgeschwindigkeit v zum Basissystem definiert, und es gilt für Zeit t, Weg x und Masse m

ML

In dieser Darstellung sind die Spezielle Relativitätstheorie und der erweiterte Lorentz-Ansatz mathematisch vollständig äquivalent. Die Spezielle Relativitätstheorie schließt jedoch bei üblicher Interpretation das Vorhandensein eines Systems absoluter Ruhe aus, welches aber beim erweiterten Lorentz-Ansatz durch einfache Wahl des Basissystems ohne weitere Annahmen oder Einschränkungen integrierbar ist. Die seit einigen Jahrzehnten bekannte völlig gleichmäßige kosmische Hintergrundstrahlung hat schon vielfach zu Überlegungen geführt, diese mit der Existenz eines absolut ruhenden Raums und der SRT in Einklang zu bringen. Dies war bisher nicht erfolgreich und führte stets zu Widersprüchen mit experimentellen Befunden. Der hier gezeigte Ansatz ermöglicht dagegen eine völlig problemlose Integration. Da aber bis heute mit konventionellen Ansätzen kein experimenteller Nachweis gelungen ist, kann eine Entscheidung derzeit nicht getroffen werden.

Vorschläge für Versuche

Dies könnte sich ändern, wenn quantenmechanische Tunnelexperimente einbezogen werden. Theoretische Überlegungen zeigen, dass überlichtschnelle Übertragungen von Signalen, z. B. durch das Senden eines einfachen Impulses, zwar mit der erweiterten Lorentz-Theorie jedoch nicht mit der SRT kompatibel sind. Es wird ein Versuch vorgeschlagen, der eine eindeutige Entscheidung bezüglich der unterschiedlichen Ansätze ermöglicht. Des Weiteren werden auch zwei andere Versuche zur Diskussion gestellt, deren wichtigster den direkten Nachweis der „Relativität der Gleichzeitigkeit“ beinhaltet, die ein integraler Bestandteil der Lorentz Gleichungen ist.

Untersuchte Effekte

Die vorgeschlagene "Erweiterte Lorentz-Theorie" basiert auf der Annahme, dass die Lorentz-Transformation und der relativistsche Massenanstieg die einzigen Voraussetzungen für die allgemeine Gültigkeit sind. Wie im Haupttext ausgeführt (Kapitel-Nrn. in Klammern) wurde dies für wichtige Effekte geprüft, wie z. B.

- Austausch von Signalimpulsen zwischen punktförm. Körpern (2.1)
- Austausch von Signalimpulsen innerhalb bewegter Körper (2.2)
- Winkelbeziehungen beim Austausch von Signalimpulsen (2.3)
- Signalaustausch in beliebigen Raumrichtungen (2.4)
- Experimente mit Licht in transparenten bewegten Medien (4.2)
- Ansteuerung von Aggregaten nach Synchronisation (4.3)
- Signalaustausch zwischen räumlich ausgedehnten Körpern (4.4)
- Uhrentransport (5.1)
- Zwillingsparadoxon (5.2)
- Relativistische Massenzunahme und Energie (6.1)
- Federparadoxon (6.2)
- Relativistischer elastischer Stoß (6.3)
- Signalaustausch bei Systemen mit konst. Beschleunigung (6.4.1)
- Relativistische Raketengleichung (6.4.2)
- Relativistischer nicht elastischer Stoß (7.1)
- Teilchenzerfall in 2 Partikel (7.2.1)
- Teilchenzerfall in 2 Photonen (7.2.2)
- Konstanz der Phasengeschwindigkeit des Lichts beim Übergang zwischen verschiedenen Inertialsystemen (8.)

Keine der durchgeführten Untersuchungen zeigten Abweichungen zu diesen Voraussetzungen.