SRT und Eisenbahn

In meinem Aufsatz "Einsteins Relativität der Gleichzeitigkeit" habe ich mich schon mit seiner Originalarbeit aus dem Jahre 1905 "Zur Elektrodynamik bewegter Körper" auseinander gesetzt, in welcher er seine Theorie im § 2 auf ein Gedankenexperiment stützte, das davon ausging, man könne einen Lichtstrahl von unterschiedlichen Bezugssystemen aus messen und damit zu unterschiedlichen Zeitanzeigen kommen, sollte man die Messergebnisse zur Synchronisation von Uhren einsetzen. Dieses Gedankenexperiment - der Lichtstrahl synchronisiert Uhren im "Ruhsystem" und derselbe Lichtstrahl soll von ahnungslosen Beobachtern im bewegten Bezugssystem zur Überprüfung der Synchronizität ihre eigenen mitbewegten Uhren verwendet werden (was prompt zur "Relativität der Gleichzeitigkeit" führt) - ist praktisch das Fundament der Speziellen Relativitätstheorie (SRT) und bildet auch die Grundlage für die Lorentztransformation - die das eigentliche Herz der SRT darstellt.

Das Postulat der von jedem Bezugssystem unabhängigen Konstanz der Lichtgeschwindigkeit führt in diesem Gedankenexperiment dazu, dass die mitbewegten Beobachter am Stab ihre Bewegung gegen den (im Ruhsystem ausgestrahlten) Lichtstrahl nicht erkennen (dürfen!), sie übernehmen die im Ruhsystem erzielten Messdaten und stellen aufgrund des Postulates fest, dass diese Daten die Uhren nicht als synchron erscheinen lassen, obwohl sie im Ruhsystem mit ein und demselben Lichtstrahl synchronisiert worden waren.

	Im genannten Aufsatz zeigte ich schon, dass in diesem Gedankenexperiment (links der Originaltext) ein logischer Bruch steckt, weil die Uhren am Stab ab dem Moment, in welchem sich der Stab bewegt, für die Ruhebeobachter nur noch "voraussetzungsgemäß" synchron sind - aber es nicht mehr wären, würde das Synchronisierverfahren gem. § 1 im bewegten Zustand wiederholt. Es ist daher nicht sehr erstaunlich, wenn die bewegten Beobachter keine Chance mehr haben, die Uhren als synchron "vorzufinden". Eine der völlig unrichtigen Annahmen in Einsteins Gedankenexperiment ist der Glaube, man könne ein und denselben Lichtstrahl tatsächlich von jedem Bezugssystem aus nur mit c messen und aus diesem Grund eine Relativbewegung zu einem Lichtstrahl nicht feststellen.
	Könnten die Beobachter auf dem bewegten Stab bemerken, dass der Lichtstrahl, den sie messen, gar nicht zu ihrem Bezugssystem "gehört", sondern ihr eigenes Bezugssystem sich quasi an diesem Strahl entlang bewegt, kämen sie auch gar nicht auf den Gedanken, diesem Strahl eine konstante Geschwindigkeit bezogen auf ihr System zuzuschreiben. Sie hätten leicht entdecken können, dass die Methode, die sich Einstein im § 1 ausgedacht hat, von vornherein nicht dazu eignet, Uhren zu synchronisieren, da sie entweder nur in "ruhenden" Bezugssystemen funktioniert oder das Postulat von der konstanten Lichtgeschwindigkeit in Bezug zum Beobachter falsch ist.
	Wir werden nun auch ein Gedankenexperiment durchführen, und begeben uns zu diesem Zweck auf die Eisenbahn - ein Ort, welcher auch von Einstein bevorzugt für seine Gedankenexperimente gewählt wurde. Das heisst, zuerst betreten wir nur den Bahnsteig und sehen einem Mann zu, welcher offenbar aus einer Laserkanone einen grellen Lichtstrahl in das Innere des letzten Waggons eines davonfahrenen Zugs schickt (siehe Titelbild!). Sofort fällt uns die Parallele zu Einsteins § 2 auf: der Bahnsteig gleicht dem Ruhsystem und der bewegte Zug stellt offenbar den bewegten Stab dar. Aber die Laserkanone ist in Wahrheit ein Projektor und der Strahl besteht nicht nur aus einem Lichtpunkt, sondern aus einem Bild, welches ein gleichmäßiges Raster darstellt. So etwa wie dieses hier: Am anderen Ende des Waggons steht eine Projektionsleinwand, und ehe wir darüber nachdenken, was auf dieser Wand zu sehen wäre, wenn wir den Projektionslaser vom Bahnsteig aus darauf richten, zuerst etwas Grundsätzliches:

Wenn sich eine Projektionsfläche während der Projektion vom Projektor entfernt (oder nähert), so verändern sich die Lichtlaufstrecken im Lichtkegel unproportional - und das ergibt stets eine Verzerrung des Bildes ("Kissenverzerrung").

Je nach Bewegungsrichtung der Projektionsfläche werden entweder die mittleren oder die äußeren Bereiche des Bildes kleiner abgebildet. Anhand dieser Verzerrung ist jede Bewegung der Bildfläche konkret nachweisbar! Natürlich könnte es auch die Bewegung des Projektors sein. Jedenfalls ist eine relative Bewegung zwischen Projektor und Bild vorhanden, die sich durch gefinkelte Methoden auch schon bei verhältnismäßig niedrigen Geschwindigkeiten (z.B. TV-Aufnahmen von Marschflugkörpern) feststellen ließe. Allerdings darf man die Änderung der Bildgeometrie nicht mit der Vergrößerung oder Verkleinerung des Bildes verwechseln, die sich aus der 1/r²-Abhängigkeit der Lichtstreuung ergibt (die aber selbst eine vage Möglichkeit bietet, die Bewegung zu entdecken).
Schauen wir nun in den Waggon hinein, in welchem auf der hinteren Projektionsfläche das projizierte Bild sichtbar wird:

Das Bild ist verzerrt. Wenn wir nun die Passagiere auffordern würden, sie sollten annehmen, der Waggon wäre "ruhend" und das Bild würde von einem Lichtstrahl erzeugt, welcher konstant mit c durch ihren Waggon fahre, werden sie das keinesfalls glauben, sondern sofort erwidern, dass ihnen doch die Verzerrung des Bildes verrate, dass sich der Waggon bewege und das Licht aus einem anderen Bezugssystem - also nicht aus dem Waggon selbst - stammen muss! Aber auch der Mann mit der Projektionspistole auf dem Bahnsteig wird das Bild verzerrt sehen, wenn er in den Waggon hineinschaut. Er weiß zusätzlich, dass das Bild nicht verzerrt wäre, wenn der Waggon in Bezug zu ihm stillstehen würde. Wenn er ein einigermaßen vernünftiger Mensch ist, wird er wohl niemals auf die Idee kommen, mit seinem Laserprojektionsbild Uhren zu synchronisieren und die Zuginsassen zu fragen, ob seine Synchronisationssignale auch auf die Uhren in ihrem Zugabteil passen. Beide Parteien sehen ja an der Verzerrung des Bildes eindeutig, dass sich das Signal dazu nicht eignet - und zwar nicht wegen geheimnisvoller Veränderungen von Zeit und Raum, sondern schlicht wegen der Bewegung des Zuges gegen das Signal, das von außerhalb, eben vom Bahnsteig kommt!

Lassen wir nun den Laserschützen einsteigen und mitfahren! Wie sieht das Projektionsbild in diesem Fall aus?

Das Bild ist nun nicht verzerrt! Was bedeutet das? Nichts anderes, als dass das Licht in irgendeiner Weise mit dem Zug "mitzufahren" scheint - wie es das Relativitätsprinzip ja auch voraussagt. Und wieso fährt der Lichtstrahl scheinbar mit? Ganz einfach, weil die Lichtquelle mitfährt. Der Mann mit seinem Laserprojektor ist ja vor der Abfahrt eingestiegen...

Was hat nun eigentlich dieser Michelson-Morley-Versuch zu bedeuten, welcher (auch wenn Einstein es bestritt) einer der Auslöser für die SRT war? Nichts besonderes - denn er hat nichts anderes bestätigt, als wir soeben im Zug bemerkt haben: das Licht "fährt mit der Quelle mit". Oder mit der Eisenbahn :-) Mehr war aus diesem MM-Versuch nicht heraus zu lesen! (Dazu eine kleine vergnügliche Geschichte von Dr. Joachim Mayer :"Was haben Tycho und Albert miteinander gemein". Unbedingt lesen!)

Aber hätte denn dieser MM-Versuch nicht auch zeigen müssen, dass im übertragenen Sinn das Bild in der Eisenbahn für beide Parteien - die Beobachter im Zug und jene am Bahnsteig - dasselbe verzerrte oder unverzerrte, jedenfalls das identische Bild sehen müssten, wenn das Postulat von der konstanten Geschwindigkeit in jedem System zutreffen würde? Ja, das hätte er zeigen müssen - aber das hat der MM-Versuch keinesfalls erbracht. Ursprünglich für den Nachweise des Äthers gedacht, zeigte das Experiment bloß auf, dass Licht nichts anderes macht als jedes andere Ding: es fügt sich in das Relativitätsprinzip ein, genau so wie das Körper mit Trägheit, Billiardkugeln oder Geschosse auch tun.
Ein realer Versuch mit Laser-Projektionsbild und der Eisenbahn würde sofort aufdecken, dass dieses Verhalten des Lichts daran liegt, dass sich seine Konstanz nur auf die Quelle zu beziehen scheint. Man könnte hier übrigens auch mit dem Doppler-Effekt argumentieren, welcher bei der mitbewegten Lichtquelle ausbleibt, dagegen bei der externen sichtbar wäre - aber dieser Effekt wurde insoferne von der SRT einverleibt, als er auf die Zeitdilatation zurückgeführt wird. Er kann daher nicht zur Erklärung für die Relativgeschwindigkeit dienen, die der Zug gegenüber dem Lichtstrahl hat.

Nochmal sei kurz darauf hingewiesen, dass Einsteins Gedankenexperiment - durchgeführt mit einer Projektion statt eines undefinierten "Lichtstrahls" - nicht funktionieren könnte, da die Beobachter auf dem bewegten Stab niemals auf die Idee kämen, das Synchronisationsignal liefe in ihrem Bezugssystem konstant. Das Projektionsbild verzerrt sich ja deshalb, weil das Licht konstant zum anderen System (in unserem Zugbeispiel der Bahnsteig) bleibt! Die SRT wurzelt daher in einer absurden Situation, die in der Natur gar nicht vorkommt. Und beruft sich auf ein Experiment, das gar keine Schlussfolgerung auf diese Situation zulässt. Die Annahme, die Lichtgeschwindigkeit wäre ununterscheidbar zu beiden Bezugssystemen konstant, ist ein reines Phantasieprodukt. Ein "Postulat" eben.

Aber wie ist es möglich, dass der Laserstrahl immer konstant zur Laserpistole bleibt, ungeachtet dessen, ob er vom Bahnsteig aus oder vom fahrenden Zug aus abgestrahlt wird? Und bekommt das mitfahrende Licht auf dem Zug nicht dessen Geschwindigkeit zur eigenen dazu, wenn man es vom Bahnsteig aus misst? Ja und nein. Nach meinem fixed-space-delay-model breitet sich Licht immer nur konstant zum Emissionsort aus. Wenn sich dieser Ort bewegt, so bewegen sich die sich ausbreitenden Sphären mit, weil diese ja nacheinander während der Bewegung erst erzeugt werden. Das Ergebnis sehen wir, wenn wir das gleichmäßig erleuchtete Abteil eines Zugs vorbeifahren oder einen gleichmäßig beleuchteten Fußballplatz aus der Vogelperspektive vorüberziehen sehen etc. Jede Lichtsphäre, egal ob es die Strahlen im Michelson-Morley-Interferometer oder der Schein um eine Straßenlaterne oder schlicht die Beleuchtung unseres Wohnzimmers ist, bewegt sich etwa mit der Erdrotation oder der Erdbewegung um die Sonne mit. Allerdings gilt das alles nur im Bereich unserer alltäglichen Geschwindigkeitsgrößen. Mehr dazu gibt es in den Aufsätzen fixed-space-delay-model und "Konstanz und Isotropie des Lichts" zu erfahren.

Natürlich könnten wir nun auf die Idee kommen, mit dieser (eigentlich absolut untauglichen) Methode, die Einstein in seinem § 1 vorschlägt, Uhren zu synchronisieren. Anhand des Projektionsbildes würden wir sofort sehen, wie sich der Umstand störend auswirkt, dass die eigentliche Lichtgeschwindigkeit und die Quellengeschwindigkeit zueinander in einem bestimmten Verhältnis stehen, wenn wir die ruhenden Uhren am Bahnsteig mit den Uhren im fahrenden Zug synchronisieren möchten. Abgesehen davon, dass es uns wegen des verzerrten Projektionsbildes nicht gelingen würde, die Zuginsassen hinters Licht zu führen, würden wir 2 Möglichkeiten haben, wenigstens die unterschiedlichen Uhrenanzeigen auf einen Nenner zu bringen: Wir rechnen einerseits die Werte einfach mit dem Faktor des Verhältnisses der Geschwindigkeiten zueinander (v/c) um - oder wir behaupten andererseits, die zeitlichen und räumlichen Dimensionen des Zugwaggons hätten sich um diesen Faktor verändert (könnte ja sein, dass uns das jemand abnimmt). Einsteins Lösung war die letztere, weil die Beobachter auf seinem Stab ja weder etwas bemerken geschweige denn selber messen dürfen. Sie dürfen lediglich auf die schon existierenden Ergebnisse (die im Ruhsystem ermittelt worden waren) die Kriterien des § 1 anwenden, also im Irrglauben, dieser Lichtstrahl (des Ruhsystems) wäre auch in ihrem System konstant, die Uhren als "nicht synchron vorfinden". Aus dieser "Relativität der Gleichzeitigkeit" hat Einstein folglich seine "Mathematische Spekulation" konstruiert, die nun schon über 100 Jahre lang einen Zankapfel zwischen Gegnern und Befürwortern bildet - und dies zu Recht, denn sie leitet aus einem einfachen Messproblem gravierende Auswirkungen auf Raum- und Zeitbegriffe ab, wofür es eigentlich nicht den geringsten Grund gibt.

Es liegt an der besonderen Art und Weise der Fortpflanzung elektromagnetischer Phänomene, dass die Geschwindigkeiten ihrer Quellen zueinander zur Aberration ihrer Wechselwirkungen führen (siehe hiezu den Aufsatz zur Lorentztransformation). Es hat daher in vielen Fällen schon einen Sinn, den Faktor, der sich aus den Geschwindigkeiten ergibt, auch in so manchen Berechnungen einzusetzen, wie dies beispielsweise in der Hochenergiephysik üblich ist. Man setzt dort zwar diesen Korrekturfaktor ("Lorentz- od. Gammafaktor") ein, eine Anwendung der SRT, bzw. der Lorentztransformation ist das allerdings genau genommen noch nicht.

Die spezielle Ausbreitung des Lichts, die einerseits auf einen Absolutraum bezogen sein könnte und andererseits wegen der mitbewegten Erzeugung in bewegten Systemen das Relativitätsprinzip einzuhalten scheint (wobei nach dem fixed-space-delay-model und der T.A.O.-Matrix-These sich für die Eigengeschwindigkeit jeglicher Impulsfortbewegung ebenfalls "c" als Höchstgeschwindigkeit ergibt) dürfte auch die Frage beantworten, warum viele experimentelle Ergebnisse die SRT zu "bestätigen" scheinen. Aber diese Theorie gründet sich auf eine absurde Annahme und kann daher weder bestätigt noch falsifiziert werden. Die Möglichkeit, Uhren auf ganz andere Weise zu synchronisieren, wie Einstein dies im § 1 vorschlug (z.B. mittels verschränkter Quanten) und die Entdeckung des Kosmischen Mikrowellen Hintergrunds (CMB), welcher bereits von vielen Wissenschaftlern als absolutes Bezugssystem angesehen wird (auch Relativisten setzen ihn als Referenzsystem für ihre Experimente ein), wird - was die philosophischen Aussagen der SRT in erster Linie betrifft - diese Theorie dort einreihen, wo sie ursprünglich schon hingehörte, in den Bereich mathematischer Spekulationen bzw. mitunter durchaus brauchbarer mathematischer Korrekturmethoden für Messprobleme bei elektromagnetischen Phänomenen...

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