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Wir lesen
in dem Wikipedia-Artikel folgendes:
"Gleichzeitig" ist relativ. Machen wir ein einfaches
Gedankenexperiment: Wir befinden uns auf einem sehr langen Bahnsteig.
In zwei Punkten A und B, die sich links und rechts von uns in gleicher
Entfernung befinden, schlagen gleichzeitig zwei Blitze ein. Die Gleichzeitigkeit
dieser beiden Ereignisse können wir mit synchron gehenden Uhren in den
Punkten A und B kontrollieren aber auch einfach daran erkennen, dass
die Lichtsignale der beiden Blitze genau gleichzeitig bei uns eintreffen.
Ferner
nehmen wir an, ein sehr langer Zug bewege sich mit großer Geschwindigkeit
auf dem Gleis neben dem Bahnsteig vorbei. Die beiden Blitze schlagen,
bevor sie auf den Bahnsteig treffen, durch den Zug. Auf dem Dach des
Zuges stehe ebenfalls ein Beobachter, der sich im Moment des Blitzeinschlags
gerade auf unserer Höhe befindet. Dieser Beobachter fährt mit dem Zug
dem rechten Blitz entgegen und vor dem linken Blitz davon. Folglich
wird das Lichtsignal von rechts ihn früher erreichen als das Lichtsignal
von links. Da aber die Geschwindigkeiten der beiden Lichtsignale für
den Beobachter - unabhängig von seiner Bewegung relativ zu uns - gleich
sind, kommt der Beobachter zu dem Schluss, dass der rechte Blitz früher
eingeschlagen hat als der linke.
Fazit:
Zwei "gleichzeitige" Ereignisse sind nur für Beobachter in demselben
Bezugssystem tatsächlich gleichzeitig, nicht aber auch für Beobachter
in einem Bezugssystem, das sich relativ zum ersten bewegt. Je nach der
Bewegungsrichtung des zweiten Bezugssystems kann für einen Beobachter
in diesem System das Ereignis in A vor oder auch nach dem Ereignis in
B eingetreten sein.
Was ist
falsch an diesem Gedankenexperiment? Fast alles! Als erstes fällt
auf, dass genau das, was eigentlich relativiert werden soll, im Experiment
vorausgesetzt wird: die absolute Gleichzeitigkeit. Denn
sowohl der Einschlag der Blitze als auch das Zusammentreffen der beiden
Beobachter erfolgen ja gleichzeitig, wobei die Sicherstellung dieser
Gleichzeitigkeit mit synchronen Uhren natürlich ein Treppenwitz
ist, denn genau dies wäre nach Einsteins § 2 gar nicht möglich
(denn schon die Synchronizität dieser Uhren wäre bezugssystemabhängig!).
Mit den
modernsten Methoden, in welchen die Eigenschaften verschränkter
Quanten eingesetzt werden, ist es allerdings sehr wohl möglich,
Uhren mit größter Genauigkeit zu synchronisieren und ein
gleichzeitiges Ereignis - z.B. das Aufleuchten eines Blitzlichtes jeweils
an den Enden des Zuges auszulösen. Im zitierten Wikipedia-Text
schlagen die beiden Blitze "durch den Zug" - was ein schwacher
Versuch sein soll, die Zugehörigkeit des Lichts zu beiden
Bezugssystemen (Zug und Bahndamm) zu begründen. Das geht allerdings
schief, denn für diese Zugehörigkeit ist natürlich die
Lichtquelle und nicht der Einschlagsort maßgeblich. Wir werden
das Gedankenexperiment deswegen mit gewöhnlichen Lichtquellen,
z.B. Fotoblitzlampen nachvollziehen, um den Unterschied zwischen stationären
und mitfahrenden Lichtquellen zu untersuchen.
Mit Einsteins
eigenen Postulaten ist das Beispiel schnell ad absurdum geführt.
Die Herkunft des Lichts interessiert uns in diesem Fall gar nicht, sondern
dann geht es bloß darum, dass es sich um 2 völlig gleichberechtige
Inertialsysteme handelt, deren Bewegung gar keine Rolle spielt. Da sich
jeder der Beobachter in seinem Inertialsystem genau in der
Mitte befindet, wird jeder die Lichtblitze gleichzeitig wahrnehmen.
Das erzeugt natürlich das Paradoxon, dass das Licht gleichzeitig
auf gleichen Strecken je nach Bezugssystem unterschiedliche Ausbreitungseigenschaften
haben müsste. Aber für solche Kinkerlitzchen gibt es ja Längenkontraktion,
Zeitdilatation und Lorentztransformation,
die in grandioser Zirkelschlüssigkeit solche lapidaren Logikprobleme
auflösen ;-)
Nachdem
aber Einsteins Zauberformeln ja erst aufgrund der Relatität der
Gleichzeitigkeit entstehen können, müssen wir zuerst überhaupt
diese Relativität vorfinden. Es kann sich allerdings - nachdem
absolute Gleichzeitigkeit schon vorausgesetzt wird! - nur um
eine Relativität der Wahrnehmung handeln, denn es besteht
ja kein Zweifel daran, dass die Lichtblitze zwar gleichzeitig stattfinden,
aber von den Beobachtern zu unterschiedlichen Zeitpunkten gesehen
werden sollten.
Nehmen wir nun an, es spiele keine Rolle, ob die Lichtquellen zum Zug
oder zum Bahndamm gehören (also auf dem fahrenden Zug oder neben
den Geleisen aufgestellt sind), und es würden die Beobachter diese
Lichtblitze tatsächlich zu unterschiedlichen Zeitpunkten registrieren
- dann geschähe dies auch an unterschiedlichen Orten! Es
würde sich nur um reine Lichtlaufzeit-Effekte handeln, und
der Beobachter auf dem Zug hätte lediglich ein Messproblem,
aber keinesfalls einen Konflikt mit der "Raumzeit".
Wir könnten ja analog dazu aufgrund von Lichtlaufzeit die "Relativität
der Kirchturmgröße" einführen - denn es ist ja
wohl keine Frage, dass uns ein Kirchtum aufgrund größerer
Entfernung kleiner erscheint als er ist. Genau eine derartige Qualität
hat dieses Beispiel der unterschiedlichen Wahrnehmung eines Zeitereignisses
aufgrund unterschiedlicher Entfernung. Es handelt sich also nicht
um physikalisch unterschiedliche Qualitäten, sondern nur um Wahrnehmungsdifferenzen.
So wie Kirchtürme aufgrund der Perspektive nicht wirklich kleiner
werden, werden gleichzeitige Ereignisse nicht ungleichzeitig, bloß
weil wir davon später die Kenntnis erhalten. Wenn uns der Briefträger
einen Brief in die Hand drückt, ist uns ja auch sofort klar, dass
er nicht gleichzeitig aufgegeben wird - und das Ereignis, welches im
Brief eventuell geschildert wird, kann ohneweiters gleichzeitig mit
einem anderen Ereignis stattgefunden haben ... aber bis wir davon erfahren,
dauert es eben etwas länger... speziell die Post in Österreich
ist mittlerweile recht langsam unterwegs ;-) Niemand wird wohl auf die
Idee kommen, aufgrund der Laufzeiten eines Briefs die "Relativität
der Gleichzeitigkeit" zu postulieren...
Eine
Betrachtung nach dem Fixed-Space-Delay-Model
Das Zug-Gedankenexperiment
wird völlig nichtssagend, wenn der Beobachter auf dem Zug (zumindest
theoretisch) die Möglichkeit hat, festzustellen, warum er
die Blitze nicht exakt gleichzeitig sieht. Dabei macht es einen Unterschied,
ob die Lichtquellen auf dem Zug oder auf dem Bahnsteig aufgestellt sind.
Nehmen wir zuerst den Fall zweier auf dem Zug befindlicher Lichtquellen.
Wenn die beiden Beobachter auf gleicher Höhe sind, werden die Blitze
ausgelöst. Der Beobachter am Bahndamm würde sie als gleichzeitig
wahrnehmbar voraussetzen, da sich die Lichtstrahlen symmetrisch zu ihm
in Bewegung setzen. Er wird aber auch sehen, dass das Licht von bewegten
Quellen stammt: eine Lichtquelle nähert sich - und die andere entfernt
sich! Die Folge ist, dass das Licht auf einer Seite blauverschoben und
auf der anderen Seite rotverschoben ankommt. Das ist nichts anderes
als der Doppler-Effekt, und er tritt deshalb immer auf, weil die Wahrnehmung
von "Licht" stets mehrere Photonen erfordert (da ein
Photon keine Lichteigenschaften, wie z.B. diskrete Wellenlänge
oder Frequenz, haben kann). Die Photonen werden aber nicht gleichzeitig
emittiert, sondern hintereinander ... und bei jeder Emission
ist der Emissionort etwas weiter gewandert, denn die Lichtquelle bewegt
sich ja. Jede Emission verursacht ihre eigene Lichtsphäre und die
Aufeinanderfolge dieser Lichtsphären entspricht den bewegten Erzeugungsorten.
Das führt dazu, dass sich die Zuggeschwindigkeit auf die
Geschwindigkeit auf das zweifellos auswirkt, was wir letztlich als "Licht"
identifizieren. Wie schon mit der Taschenlampe im Aufsatz "SRT
und Eisenbahn" gezeigt, fährt das Licht mit der Quelle
auf igendeine Art und Weise mit. (Kann jeder mit seiner Taschenlampe
ausprobieren). Wenn wir also genau hinschauen, werden wir feststellen,
dass auch der Beobachter auf dem Bahndamm die Blitze gar nicht exakt
gleichzeitig sehen könnte, da sie von bewegten Lichtquellen stammen.Auf
die Größenordnung der Differenzen kommen wir noch zurück.
Und der
Beobachter auf dem Zug? Auch er wird zwar wegen des mitfahrenden Lichts
die Blitze "gleichzeitig" sehen - aber haarspalterisch betrachtet
ebenfalls nicht ganz exakt, denn das Licht fährt zwar mit, aber
je schneller der Zug wird, umso weniger (Grund dafür siehe fixed-space-delay-model)!
Da sich der Abstand zu den Lichtquellen aber nicht verändert, wird
der mitfahrende Beobachter keinen Doppler-Effekt wahrnehmen. Beide
Beobachter werden also nur oberflächlich betrachtet und nur innerhalb
gewisser Fehlergrenzen die Blitze "gleichzeitig" sehen. Dies
schon deshalb, weil das Licht geradezu unfassbar schnell ist im Vergleich
zu den Geschwindigkeiten unseres Erfahrungsbereiches.
Doch ehe wir diese Fehlergrenzen ausrechnen, sehen wir uns noch den
Fall an, in welchem das Licht nicht mitfährt, sondern auf
dem Bahndamm aufgestellt ist.
Der Bahndamm
befindet sich auf der rotierenden Erdoberfläche und könnte
eigentlich auch nicht gerade als "ruhend" bezeichnet werden.
Der auf ihm platzierte Beobachter wird nun zwar keine Doppler-Effekte
sehen, aber ansonsten gilt für ihn dasselbe, was vorhin für
den Beobachter auf dem Zug gegolten hat.
Der am Zug mitfahrende Beobachter sieht nun genau genommen die Blitze
sicher nicht gleichzeitig, aber die Doppler-Effekte würden ihm
verraten, warum das so ist, hat er doch jetzt eine Relativbewegung zu
den Lichtquellen. Beide Beobachter werden aber letztlich nicht signifikante,
respektive fast gar keine Unterschiede bemerken, da sich alle diese
Differenzen unter den Messgrenzen bzw. Fehlergrenzen befinden. Der
mitfahrende Beobachter hätte übrigens auch die Möglichkeit,
seine Relativgeschwindigkeit zum Licht zu messen. (Auf ähnliche
Art wurde z.B. die Geschwindigkeit der Erde relativ zum Mikrowellen-Hintergrund
des Weltalls mit 360 km/sek festgestellt.)
Wie schnell
kann eine Eisenbahn im Universum unterwegs sein? Wenn man berücksichtigt,
dass sie sich auf einem Planeten innerhalb einer Galaxie befindet, samt
der Galaxie maximal 1000 km/sek (bezogen zum Mikrowellen-Hintergrund).
Höhere Eigengeschwindigkeiten von Galaxien hat man noch nicht entdecken
können. Auf den ruhenden Beobachter kommt das Licht von der sich
nähernden Quelle somit nach dem fixed-space-delay-model nach
mit
300000+1000-(3,33...)~300996,667 km/sek und von der sich entfernenden
Lichtquelle mit c=300 000 km/sek heran (weil einmal emittierte Photonen
nicht deshalb langsamer werden, weil ihnen die Quelle davonläuft!).
Bei der bislang höchsten denkbaren Geschwindigkeit dieses Transportmittels
wäre demnach pro Sekunde ein Geschwindigkeitsunterschied von 996,667
km/sek zu messen. In Deutschland darf ein Güterzug maximal 700
m lang sein. Das Licht braucht für die halbe Strecke von einer
Seite 0,0000011628 sek und von der anderen Seite 0,0000011666... sek,
der Beobachter in der Mitte müsste also eine Differenz der Ankunftszeiten
von 0,000000003866... Sekunden (das sind 3,866 Nanosekunden) messen
können, wohlgemerkt bei einem 700 Meter langen Zug, der mit 1000
Kilometern pro Sekunde dahinrast! Diese Größenordnung
der auftretenden Differenzen gilt praktisch für beide Beobachter.
Wir verstehen vielleicht jetzt, wieso Licht den Eindruck erweckt, es
würde vollends dem Relativitätsprinzip unterworfen sein und
wir können auch die Chancen ersehen, die Michelson
mit seinem Instrument hatte, welches eine Lichtstrecke von 11 Metern
bei einer Geschwindigkeit von 30 km/sek aufwies. Im gegebenen Zugbeispiel
(700 m, v=1000 km/sek) hätten sich die Beobachter bis zum Eintreffen
des Lichts überdies nur um einige Millimeter voneinander entfernt.
Sich genau in der Mitte eines 700 m langen Zuges aufzustellen, dürfte
auch nicht ganz unproblematisch sein :-)
Eine
einfachere Variante
Das
Schema des Eisenbahnbeispiels gibt es in allen möglichen Varianten.
Populärwissenschaftliche Autoren schildern gern einen Vorgang im
Weltraum, bei welchem eine Explosion stattfindet, deren Licht sich auf
den Weg macht und während des Lichtlaufs an einer anderen Explosion
vorbeikommt, deren Licht nun ebenfalls zur Erde gelangt - wo wir beide
Explosionen zur gleichen Zeit wahrnehmen, obwohl sie zu unterschiedlichen
Zeitpunkten stattfanden. Mit derart unsachlichen Erklärungen beweisen
diese Autoren allerdings nur, dass sie Einsteins Relativität der
Gleichzeitigkeit überhaupt nicht verstanden haben. Denn auch hier
handelt es sich nur um verzögerte Wahrnehmung aufgrund von Lichtlaufzeiten.
Das ist nicht die "Relativität der Gleichzeitigkeit"!
Das ist bloß dasselbe, wie wenn ein Postzusteller zwei Briefe
zwar gleichzeitig zustellt und das aber nicht bedeuten muss, dass sie
auch gleichzeitig aufgegeben wurden. Mehr Tiefsinn ist derartigen Beispielen
nicht zu entnehmen.
Die einfachste Variante, mit welcher Relativisten die Relativität
der Gleichzeitigkeit begründen wollen (die sie immer als letzte
Ausrede einsetzen, wenn ihnen alle anderen Argumente ausgegangen sind)
sieht so aus:
Zwei
Stäbe mit jeweils einer Lampe in der Mitte bewegen sich aneinander
vorbei. Jeder mitfahrende Beobachter sollte das Licht gleichzeitig die
Wände erreichen sehen, wogegen er im anderen Stab sehen würde,
wie das Licht nicht gleichzeitig die Wände erreicht, weil eine
Wand dem Licht (dessen Konstanz er auf sich bezieht) davon liefe und
die andere dem Licht entgegen käme.
Hier gilt sinngemäß ganz dasselbe wie im Zugbeispiel. Keiner
der Beobachter würde genau genommen sehen, dass irgendein Licht
zugleich die Wände erreicht, weder bei sich selbst noch beim anderen.
Aber die Differenzen wären unvorstellbar klein und kaum messbar.
Auch hier macht es einen Unterschied, ob die Lampe mitfährt oder
nicht. Würde sich der Stab an einer externen Lampe vorbei bewegen,
könnte ein mitfahrender Beobachter dies an den Doppler-Effekten
feststellen. Bei mitfahrender Lampe dagegen nicht. Aber auch ein Außenbeobachter
würde in diesem Fall die Doppler-Effekte sehen. Oder die Verzerrung
eines Bildes, wenn die Lichtquelle ein Projektor wäre (siehe den
Aufsatz SRT und Eisenbahn). Alle Beobachter sehen
also, je nachdem, ob die Lampe extern oder stationär ist, sowohl
bei sich als auch beim anderen durchaus dasselbe - und der Eindruck,
dass Licht dem Relativitätsprinzip unterliegt, wird auch hier entstehen,
obwohl das eigentlich gar nicht zutrifft. Lichtpulse bewegen sich mit
maximal c bezogen auf den CMB (Kosmischen Mikrowellen-Hintergrund, "Absolutraum").
Das gilt aber nicht für die Energieübertragung selbst. Die
bekommt auch von der Quellengeschwindigkeit etwas mit. [Es spricht nichts
dagegen, derartiges anzunehmen, denn Maxwells Gleichungen sagen zwar
eine konstante Lichtgeschwindigkeit voraus - aber sie beziehen sich
auf den Absolutraum ("Äther", Matrix, CMB etc.)]
Im
Bild 1 sehen wir einen Stab mit stationärer Lichtquelle, der sich
von links nach rechts bewegt. Die "Lichtgeschwindigkeit" hat
in Bewegungsrichtung bezogen zur Lampe c, für einen Außenbeobachter
aber (c+v)-(v²/c), gegen die Bewegungsrichtung bezogen zur Lampe
ebenfalls c, für den Außenbeobachter c-v. Da das Licht nun
trotz der Bewegung des Systems sich im System symmetrisch ausbreitet,
ist das Relativitätsprinzip scheinbar erfüllt. Aber bei stationärer
Lampe sieht das ein Außenbeobachter genauso. Wie man in
der Natur jederzeit beobachten kann, gehen Lichtsphären mit ihren
Verursachern mit. Dass Lichtpulse im Sinne Maxwells bezogen auf den
Absolutraum sich konstant mit c bewegen, könnte man nur feststellen,
wenn man ein einzelnes Photon verfolgen könnte. Aber - wie gesagt
- ein einzelnes Photon ist noch kein "Licht".
 Abb.3
Abb. 3:
Erst die Aneinanderreihung mehrerer Emissionen und ihrer Sphären
ergeben "Licht". Die Erzeugung der Sphären entspricht
dem Bewegungszustand der Quelle, das Licht scheint also mit der Quelle
mitzuwandern und in Bezug zur Quelle immer c zu haben.
Im Bild
2 bewegt sich der Stab durch die Sphäre einer externen Lichtquelle.
Die Folge sind Doppler-Effekte an den Wänden, die wiederum von
jedem Beobachter wahrgenommen werden. Es macht deshalb einen
großen Unterschied, ob die Lichtquelle mitfährt oder nicht.
Dieser Unterschied wird in Einsteins Herleitungen der relativen Gleichzeitigkeit
aber gänzlich negiert. In Einsteins Betrachtungen ist das Licht
auf sämtliche Bezugssysteme in gleicher Weise bezogen. Von jedem
frei definierbaren Bezugssystem aus sollte Licht niemals schneller gemessen
werden als mit c. Für diese Annahme gibt es außer den Gleichungen
Maxwells nicht den geringsten Grund. Ganz
im Gegenteil sehen wir jeden Fußballplatz gleichmäßig
flutlichtbestrahlt, obwohl er sich samt der Erde mit 360 km/sek durch
das Weltall (CMB) bewegt... Und das sehen Astronauten von ihren Raumstationen
aus auch nicht anders! Man braucht keine Lorentztransformation dazu,
um das zu verstehen.
Kommen
wir kurz auf die Problematik des Einsteinschen Gedankenexperimentes
in seinem § 2 zurück, auf welches er immerhin seine SRT aufbaute.
Das Experiment demonstriert eigentlich die "Relativität der
Ungleichzeitigkeit" und der logische Fehler liegt nicht nur darin,
dass die vorgesehene Uhr gar nicht abgelesen werden könnte, sondern
auch in der vermeintlichen Ununterscheidbarkeit der Lichtquellenlokalisation
und Zugehörigkeit zum System. Einstein glaubt offenbar, die beiden
Bezugssysteme könnten nicht unterscheiden, woher der Lichtstrahl
stammt und verleiht dem Strahl eine geradezu mystische Allgegenwart,
die in allen Systemen gleichermaßen wahrgenommen werden sollte.
Das ist natürlich falsch.
Mit
einer gewöhnlichen Taschenlampe und einer kleinen Zugreise kann
jedermann nachweisen, dass es einen Unterschied macht, ob ein Lichtstrahl
vom Bahnsteig oder vom Zuginneren kommt. Desgleichen könnten die
Stabbeobachter im § 2 ebenso feststellen, ob die Lichtquelle auf
ihrem Stab oder im System der ruhenden Uhren aufgestellt ist. Das gilt
in umgekehrter Weise auch für die ruhenden Beobachter. Es ist vermutlich
völlig unzutreffend, dass ein und derselbe Lichtstrahl in ununterscheidbarer
Weise von jedem beliebigen System aus mit c gemessen wird. Wäre
das so, dürften keine unterschiedlichen optischen Phänomene
je nach Lokalisation der Lichtquelle auftreten. Das geschieht aber.
Das Einstein'sche, mit keinem Experiment jemals bestätigte, von
keines Menschen Auge jemals wahrgenommene 2. Postulat ist mit großer
Wahrscheinlichkeit schlicht und einfach falsch.
Verwandte
Themen: Relativität der Gleichzeitigkeit,
Das Lochkamera-Paradoxon, Das
Raumschiff-Kino, SRT in der Eisenbahn, Isotropie
und Konstanz des Lichtes, The-Fixed-Space-Delay-Model,
T.A.O.-Matrix und Äther u.v.a.
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