Physik

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

An dieser Stelle einige (mehr philosophische) Grundsatzüberlegungen zum Thema Relativitätstheorie:

 Jahrzehnte nach Einstein - wie weiter ?

Ohne vereinzelter, dilettantischer Polemik gegen die SRT/ART entgegentreten zu müssen, sollen dennoch im Weiteren einige Gedanken oder Anregungen formuliert werden, ausschließlich mit dem Ziel der möglichen Weiterentwicklung kosmologischer Schlussfolgerungen, ein "Aufheben" - im 3fach Hegel'schen Sinn. Dabei handelt es sich um ein abstraktes Denkmodell, das aber teilweise mit Begriffen arbeitet, die (der besseren Anschauung wegen) der Umgangssprache entlehnt sind und noch nicht mit genauen Definitionen untermauert werden konnten.

Jede Theorie hat ihren Gültigkeitsbereich, so auch die Allgemeine Relativitätstheorie (ART) samt der aus ihr folgenden kosmologischen Modelle. Die favorisierte Annahme eines Big Bang ("Ur-Knall") bleibt nicht nur philosophisch unbefriedigend, sondern darüber hinaus auch das Ergebnis einer Extrapolation der derzeitig beobachtbaren Expansion der Raumzeit zurück in eine Vergangenheit, die sich allein mithilfe der ART nicht mehr beschreiben lässt. Mithin dürfte diese Extrapolation unzulässig, der Big Bang ein Denkergebnis sein, das beim Verlassen der Gültigkeitsbereiche der ART entsteht. Darüber hinaus ist in der ART die Mach'sche Problematik nicht befriedigend geklärt. Es muss unterschieden werden zwischen "permanenter Gravitation" (Beschreibung von Gravitationsfeldern realer Quell-Verteilungen, d.h. inhomogener Zentralfelder) und sog. "fiktiver Gravitation", von der im Rahmen der ART im Sinnes eines Äquivalenzfeldes zu Beschleunigungsfeldern gesprochen wird, und der real-objektive Existenz zwar zugesprochen wird, deren eigentliche Ursache (und damit die eigentliche Ursache der Trägheit) man aber in den fernen kosmischen Massen sieht (Mach).

In der ART wird inkonsequenterweise von der "Form-Äquivalenz" mathematischer Gleichungen gesprochen. Hier besteht die Möglichkeit, zur "Prozess-Äquivalenz" des tatsächlichen physikalischen Geschehens überzugehen. Wenn sich das Äquivalenzprinzip und das Allgemeine Relativitätsprinzip mithilfe des Begriffes der "Prozess-Äquivalenz" formulieren lassen, kann man zeigen, dass dadurch die logische Konsistenz der ART nicht beeinträchtigt wird. Auf der anderen Seite verschwindet der Unterschied zwischen "permanenter" und "fiktiver" Gravitation, dem Mach'schen Problem wird Rechnung getragen und die philosophische Unkorrektheit des Begriffes "Form-Äquivalenz" lässt sich beseitigen. Dabei geht es hier gemäß dem Korrespondenz-Prinzip um eine Verallgemeinerung: Die Form-Äquivalenz stellt sich als ein Spezialfall der Prozess-Äquivalenz dar, allgemein-relativistische Überlegungen ließen sich deduzieren..

Dieser Übergang von der "Form-Äquivalenz" zur "Prozess-Äquivalenz" hätte allerdings weitreichende Konsequenzen: Es muss neu über die eigentliche Ursache von Trägheit und Gravitation nachgedacht werden (Physik ist eben nicht nur eine beschreibende, sondern eine erklärende Wissenschaft!). Eine unmittelbar einsetzende Wirkung der fernen kosmischen Massen verbietet sich von selbst. Zusätzlich bleibt zu fordern, dass sich auch quanten-elektrodynamische Sachverhalte ableiten lassen müssten, wobei über die Absicht einer reinen Zusammenfassung hinaus auch noch Erkenntniszuwachs resultieren sollte.

Verschiedene theoretische Ableitungen ergaben sowohl bei Treder den Hinweis auf die Notwendigkeit der Einführung sogenannter "verborgener" Massen (die sich - wenn man die Partikel-Dynamik auf den Feld-Begriff bezieht - als ausgedehntes Kontinuum darstellen) als auch bei Schmutzer den Hinweis auf die Existenz eines bis dahin unbekannten Skalar-Feldes (das resultiert, wenn während der Reduktion 5-dimensionaler Feldgleichungen zum 4-dimensionalen Einstein - Minkowski - Kontinuum die zuvor künstlich eingeführten Neben-Bedingungen konsequent fallen gelassen werden). Die lokalen, kugel-symmetrischen Lösungen der Einstein'schen Feldgleichungen (Schwarzschild) reichen zur Beschreibung der globalen Struktur des Raum-Zeit-Kontinuums nicht aus und so kann man ein Skalarfeld verborgener Massen postulieren (ähnlich wie es in höher-dimensionalen Räumen eine endliche elektrische Gesamtladung e gibt, obwohl die Ladungsdichte über integrierbare Ausdehnungen hinweg gleich 0 ist).

Der beschriebene Ansatz lässt sich nun (wenngleich sehr spekulativ) folgendermaßen in einer Art Schwellwert-Hypothese zusammenfassen: Das skalare Massenfeld beschreibt die Verteilung verborgener Vakuum-Trägheitsmomente. Dieses Kontinuum ist wellenartigen Dichte-Schwankungen (vergleichbar mit Longitudinal-Wellen) unterworfen, die sich komplex überlagern. Mit diesen Dichte-Wellen gehen Schwankungen der lokalen Metrik und Zeitfluss-Schnelligkeit einher (lokale Anisotropie und Inhomogenität der Raumzeit). Diese "Vor-Krümmung" der Raumzeit - als "Nicht-Einstein'scher Anteil" am Krümmungstensor - ist daher eine Art ultraschwache Wechselwirkung im Sinne der Elementarteilchenphysik.

Über den Begriff der "Beobachtbarkeit" (physikalischer Phänomene) bezüglich des Kontinuum - Diskontinuum - Dualismus

"Wenn kontinuierliche Änderungen einer physikalischen Größe eine (auch - aber selbstverständlich nicht nur - geräteabhängige) Mess-Grenze überschreiten, werden sie beobachtbar und stellen sich als diskontinuierliche Objekte dar."

gelangt man notwendig zu einem Schwellwert, mit dessen Hilfe sich Folgendes formulieren lässt:

Die Raumzeit wird definiert als 5-dimensionales Kontinuum, d.h. als die Einheit der 1-dimensionalen Zeit, des 3-dimensionalen gekrümmten Riemann'schen Raumes und des 1-dimensionalen Massen-Skalars, der die lokale Metrik beschreibt. Diese Metrik kann variieren innerhalb eines Spektrums, dessen eines Ende rein zeitlicher Natur (keine räumliche Ausdehnung) und dessen anderes Ende rein räumlicher Natur (kein Zeitfluss) ist.  Die lokalen Verdichtungen im Kontinuum verborgener Trägheitsmomente breiten sich wellenförmig aus, hierbei handelt es sich um nichts anderes als um Gravitationswellen. Liegt eine Amplitude oberhalb des Schwellwertes, beobachten wir ein reales Elementarteilchen. Alle anderen Elongationen unterhalb des Schwellwertes stellen den Bereich der virtuellen Elementarteilchen dar.

Der Bereich unterhalb des Schwellwertes ist eine Welt mit umgekehrtem Kausalnexus und vertauschter Signatur. Dieser Bereich umfasst negative Massen. Diese immanente Repulsion ("Anti-Gravitation") kann als Ursache der derzeitigen kosmischen Expansion verstanden werden. Im Bereich oberhalb des Schwellwertes (gravitative Attraktion) werden mit zunehmender Masse die Zeitfluss-Schnelligkeit geringer und die Raumdichte höher (stärkere Krümmung der Metrik), hier lassen sich ganz natürlich die allgemein-relativistischen Gedanken deduzieren.

Das Massenspektrum von  - unendlich bis  + unendlich  erklärt auch die bei Berechnungen aufgetretenen unendlichen Teilchen-Energien, die resultieren, wenn die "Selbstwechselwirkung", d.h. die Wechselwirkung des Teilchens mit dem von ihm selbst eingenommenen Raum, berücksichtigt wird. Elementarteilchen sind die oberhalb des Schwellwertes messbar gewordenen Amplituden der Gravitationswellen. (Hier erweist sich eine solche Schwellwerthypothese als Brücke zwischen dem kontinuierlichen Denkmodell allgemein-relativistischer Überlegungen und den diskontinuierlichen Betrachtungsweisen der Elementarteilchenphysik. Es bestätigt sich quasi die Einstein'sche Intension, die Existenz der Elementargebilde nicht als a priori gesetzt betrachten zu müssen, sondern auch sie deduzieren zu können.) Zu jeder materiellen Partikel gehört ein Raum bestimmter, vom Zentrum weg abnehmender Dichte, eine bestimmte, zum Zentrum hin abnehmende Zeitfluss-Schnelligkeit sowie eine bestimmte, integrable Verteilung des Massen-Skalars, der die Trägheit der Partikel determiniert.

Nun lassen sich aus diesen – zugegebenermaßen recht spekulativen – Überlegungen einige konkrete Schlussfolgerungen ziehen: Die kinematische Ortsveränderung eines Objektes kann man so deuten, dass es sich bei den zugrunde liegenden Gravitationswellen um Schwebungen oder Resultierende handelt, deren mit sich selbst identische Amplituden sich aufgrund von Veränderungen der komplexen Dichteverhältnisse im Kontinuum entlang der entsprechenden Geodäten verlagern. Trägheitsbewegungen auf geodätischen Linienelementen bleiben also ohne lokal-dynamische Rückwirkung auf die Raumzeit. Dynamische Veränderungen (Kraftstoß, Impuls) stoßen auf einen Trägheitswiderstand, der sich ausschließlich darbietet auf Grund der Zeitverzögerung, mit der die zurückwirkend eintretenden Änderungen in den komplexen Dichteverhältnissen der Raumzeit tatsächlich vollzogen werden – während dessen hat sich das Objekt selbst verändert. In der physikalischen Raum-Zeit-Welt bedeutet dies, dass die Eigenschaften eines Systems von seiner Vorgeschichte abhängen!

Jedem Weltpunkt kommt entsprechend den infinitesimal gültigen Beziehungen seine eigene Raumdichte, Zeitfluss-Schnelligkeit und Trägheitskomponente zu. Durch die Abhängigkeit dieser Konstellation von ihrer raumzeitlichen Vorgeschichte kommt es zur Brechung des Weyl'schen Welt-Postulates: Es scheint nicht möglich, das All als Ganzes als zusammengesetzten Komplex aus den Raum-Zeit-Trägheits-Eigenschaften aller Elementarobjekte aufzufassen. Die gesamte kosmische Materie definiert deshalb im Mittel nicht ein gemäß Einstein synchronisiertes kosmologisches Ruhsystem. Das makro-physikalische Bezugssystem setzt sich nicht durch additive Aneinanderreihung der Eigenschaften lokaler Weltpunkte zusammen. Eine solche Aneinanderreihung wäre beliebig fortsetzbar, würde aber im Unendlichen (d.h. den gesamten Kosmos betreffend) ihre physikalische Bedeutung verlieren.

Mithin bleibt festzustellen: Ein kosmologisches Ruhsystem und eine universelle Weltzeit sind formal-mathematisch möglich, physikalisch jedoch nicht relevant. Bezüglich eines abgeschlossenen, statistisch erfassten Weltgebietes (z.B. in der Formulierung: "der heute überschaubare Kosmos") kann man zwar von einer formal-mathematischen, abstrakten "Weltzeit" sprechen, nicht jedoch von einem "Weltalter". Ein Big Bang ist raumzeitlich nicht fixierbar.