In diesem Artikel gehen wir zunächst auf den Stand der theoretischen Beschreibung der Physik ein.
Diese besagt dass die heutige theoretische Beschreibung irgendwo falsch ist: es gibt eine Inkonsistenz zwischen QT und der ART. Daher muss die Beschreibung der Physik geändert werden; es besteht die Notwendigkeit eine neue Theorie aufzustellen. Alle bisherigen Ansätze für eine solche Theorie verletzen logischerweise Prinzipien, die der heutigen Physik zugrunde liegen.
Unter anderem kann das die
Lorentz Invarianz (LI) sein.
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Wir wollen betonen,
das es überhaupt kein Beinbruch wäre, wenn diese Theorie (SRT) durch eine andere ersetzt werden würde. Die Entscheidung muss das Experiment treffen –
die Physiker sind dann gezwungen, dem Experiment Folge zu leisten, ob sie wollen oder nicht. Wir halten also mal fest, dass die heutige theoretische Beschreibung der physikalischen Phänomene nicht korrekt sein kann....
Die LI der SRT liegt als wesentliche Grundlage sowohl der ART als auch der in QT auftretenden Feldgleichungen wie der Dirac-Gleichung der gesamten Physik zugrunde.
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Wenn die Standartphysik nicht korrekt sein kann, dann kann entweder die Beschreibung der Gravitation, d.h. die ART, die Beschreibung der quantenmechanischen Felder, d.h. die Dirac-Gleichung oder die Beschreibung der Wechselwirkung, d.h. die Maxwell-Gleichungen oder die Yang-Mills-Gleichungen der elektroschwachen und starken Wechselwirkung nicht korrekt sein.
Eine oder alle dieser die physikalischen Phänomene beschreibenden Gleichungen muss modifiziert werden.Neben einer Modifikation der Einstein’schen Feldgleichungen oder der Maxwell- oder Dirac-Gleichungen kann man sich auch vorstellen, dass die Begriffe der Raum-Zeit-Mannigfaltigkeit zu modifizieren sind,…
Daher ist man unter allen Umständen immer genötigt, nach Modifikationen der Einstein-, der Maxwell- oder der Dirac-Gleichung zu suchen. Eine mögliche Nicht-Gültigkeit dieser Standard-Theorien kann sich in eine Vielzahl von Effekten manifestieren, die in der Standard-Physik sonst nicht da sind. Wir listen hier nur einige ausgezeichnete Effekte auf:
1. Anisotropie der Lichtausbreitung
2. Doppelbrechung
3. Anisotropie in der Quantenmechanik
4. Verletzung der Universalität des Freien Falls (auch Äquivalenzprinzip genannt)
5. Verletzung der Universalität der Gravitationsfelder
6. Nicht-Newtonsche Gravitationsfelder
7. anomale Dispersion für Licht und Teilchen
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Letztendlich ist es eine Suche nach einer Verletzung eines oder mehrerer der heutigen Physik zugrundeliegenden fundamentalen Prinzipien.
Man sucht nach allem, was irgendwie „falsch“ sein könnte. …
Wenn die heutige Physik nicht richtig ist, kann also eines dieser Prinzipien nicht richtig sein, D.h., entweder ist die Universalität des Freien Falls, Universalität der gravitativen Rotverschiebung oder die LI verletzt.
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Eine große Aufgabe der heutigen experimentellen Physik besteht darin, ganz allgemein nach solchen möglichen Verletzungen zu suchen. …
Der einzige Grund, warum man sich mit der Möglichkeit einer Verletzung der LI beschäftigt, ist die Inkonsistenz der QT mit der ART, die notwendigerweise eine Verletzung einer der Grundlagen dieser Theorien bedeutet.
Alle Grundlagen und Konsequenzen der LI sind mit allen bisherigen Experimenten verträglich und wir haben uns schon sehr daran gewöhnt.
Die Gewöhnung an eine Sache bedeutet aber nicht, dass diese letztendlich richtig ist. So war es z.B. mit der Newtonschen Mechanik. Diese Theorie schien noch bis zum Ende des 19. Jahrhunderts alle Phänomene vollständig zu erklären. Daher war es eine große Überraschung, dass diese bis dato als richtig erwiesene und empfundene Theorie doch falsch sein soll.
Warum soll dies nicht auch mit der LI und damit auch mit der ART so sein? Warum soll nicht Ähnliches passieren wie mit der Galilei-Invarianz?
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Wir haben eine Inkompatibilität von QT und ART. Nun versucht man, sich der Problematik sowohl theoretisch als auch experimentell zu nähern.
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Wir wollen hier den Glauben, nicht das experimentelle Wissen an die LI etwas zu erschüttern versuchen, indem wir kurz darstellen, das diese Theorie im Prinzip seltsame Effekte beinhaltet und das es möglich ist, diese Effekte konsistent in verschiedenen Theorien zu beschreiben.
Welche Theorie letztendlich korrekt ist, kann alleine das Experiment entscheiden. Es gibt Aussagen der SRT, die sehr seltsam sind, und die im Rahmen der Galileischen Kinematik und Newtonschen Mechanik eigentlich viel anschaulicher sind, weil sie dort dem Alltagsempfinden viel eher entsprechen.
Zuallervorderst muss hier die Konstanz der Lichtgeschwindigkeit genannt werden. Dies hat ja mindestens zwei Facetten: Zum einen ist die Lichtgeschwindigkeit unabhängig von der Geschwindigkeit der Quelle, und zum anderen unabhängig vom Bewegungsstand des Beobachters. Erstes wurde mittels astrophysikalischer Beobachtungen an Doppelsternen sehr genau nachgewiesen.
Das diesbezüglich anschaulichste Experiment wurde aber am CERN durchgeführt:
Dort wurden Protonen mit einer Energie von 10 GeV auf ein Beryllium-Target geschossen, wobei π-Mesonen erzeugt wurden, die eine Geschwindigkeit von 99,9975% der Lichtgeschwindigkeit besaßen. Diese Mesonen zerfielen nach 10^-16 Sekunden in Photonen, also in Licht. Die Geschwindigkeit dieses Lichts, welches selber von einer Quelle abgesandt wurde, die selber fast Lichtgeschwindigkeit besaß, war wieder die Lichtgeschwindigkeit.
Im Rahmen der Galileischen Kinematik würde man eine Geschwindigkeit von fast dem Zweifachen der Lichtgeschwindigkeit erwarten. Das war aber nicht der Fall.
Das experimentelle Ergebnis ist etwas, was dem Alltagsempfinden vollkommen fremd ist. Ohne Kenntnis der Elektrodynamik, die dieses Ergebnis ja schon in ihrem Formalismus bringt (was aber erst spät nach dem Aufstellen der Theorie erkannt und auch so akzeptiert wurde), hätte sich kein Mensch vorstellen können, dass man so etwas beobachten würde. Nur dadurch dass man sich völlig frei von allen Antizipationen macht, kann man dieses Ergebnis als reales Ergebnis akzeptieren.
Nur das Experiment kann sagen, was wie passiert. Genauso kann auch nur durch ein Experiment gezeigt werden – und wer weiß, ob das vielleicht bald passiert – dass die Annahmen, die der LI zugrunde liegen oder deren Konsequenzen falsch sind.
Eine weitere Besonderheit in der relativistischen Physik ist, dass alle Teilchen dieselbe Grenzgeschwindigkeit besitzen. Kein Teilchen kann sich schneller als das Licht bewegen, wobei aber alle Teilchen beliebig nahe an die Lichtgeschwindigkeit beschleunigt werden können.
Es ist ja schon seltsam, dass die ganzen Teilchen mit verschiedener Masse, Ladung, Spin plötzlich eine gemeinsame Eigenschaft besitzen. Man kann sich schon fragen, woher denn das Elektron weiß, was denn z.B. das Neutron für Eigenschaften besitzt? Wenn wir uns von der Gewöhnung an die Gültigkeit der LI wieder trennen und uns auf die experimentellen Resultate verlassen, dann kann eine nichtuniverselle Grenzgeschwindigkeit oder ein ausgezeichnetes Bezugsystem genauso möglich sein.
Seien wir also mal „open minded“ und lassen für den Augenblick mal wieder alles zu, was im Prinzip möglich ist, ohne in innere Widersprüche oder Inkonsistenzen zu geraten, und schauen mal, was im Rahmen der Quantengravitation denn alles möglich wäre. …
Wenn die LI verletzt ist, dann bedeutet dies, dass mindestens eines ihrer Postulate nicht mehr gelten kann. Dies kann also die Nichtkonstanz der Lichtgeschwindigkeit oder eine Verletzung des Relativitätsprinzips sein.