Die Gleichheit der
trägen und schweren Masse
Ekkehard FRIEBE,
München
- Quelle:
FRIEBE, E.
(1999): „Eine Alternative zur Lösung des
Gravitationsproblems“,
Vortrag auf der
DPG-Didaktik-Frühjahrstagung, Pädagogische Hochschule
Ludwigsburg, am 10. März 1999, 14:00 Uhr
Zusammenfassung
Schon Albert Einstein
erkannte, daß die zu seiner Zeit übliche Interpretation
von NEWTONs Gravitationsgesetz mittels absolutem Raum und Fernkräften
zu Widersprüchen führte. Deshalb betrachtete er im Rahmen
seiner allgemeinen Relativitätstheorie das Schwerefeld nicht als
ein statisches sondern als ein dynamisches Phänomen und kam
dadurch zu seinem „Prinzip der Gleichheit (Äquivalenz) der
trägen und schweren Masse“ (Gedankenexperiment mit dem
Lift). In vorliegender Untersuchung wird dieser Gedanke
weitergebildet. Es wird gezeigt, daß nicht nur der Begriff des
„absoluten Raumes“ entbehrlich ist sondern daß auch
die Annahme von „Fernkräften“ oder eines „kosmischen
Mediums“ oder eines „gekrümmten Raumes“ entfallen
kann. Diese Lösung des Gravitationsproblems ergibt sich dadurch,
daß man die Eigenrotation der Himmelskörper
berücksichtigt, die sowohl von NEWTON als auch von EINSTEIN
vernachlässigt wurde. Berücksichtigt man nämlich diese
Eigenrotation, so ergibt sich die krummlinige Bewegungsbahn der
Himmelskörper ganz von selbst.
EINSTEINs
Gedankenexperiment
In seinem Buch von
1917: „Über die spezielle und die allgemeine
Relativitätstheorie - (Gemeinverständlich)“ schreibt
ALBERT EINSTEIN im § 20 unter der Überschrift: „Die
Gleichheit der trägen und schweren Masse als Argument für
das allgemeine Relativitätspostulat.“ (Zitat von S. 45/46):
>>Wir
denken uns ein geräumiges Stück leeren Weltraumes, so weit
weg von Sternen und erheblichen Massen, daß wir mit
hinreichender Genauigkeit den Fall vor uns haben, der im
Galileischen Grundgesetz vorgesehen ist. Es ist dann möglich,
für diesen Teil der Welt einen Galileischen Bezugskörper
zu wählen, relativ zu welchem ruhende Punkte ruhend bleiben,
bewegte dauernd in geradlinig gleichförmiger Bewegung
verharren. Als Bezugskörper denken wir uns einen geräumigen
Kasten von der Gestalt eines Zimmers; darin befinde sich ein mit
Apparaten ausgestatteter Beobachter. Für diesen gibt es
natürlich keine Schwere. Er muß sich mit Schnüren am
Boden befestigen, wenn er nicht beim leisesten Stoß gegen den
Boden langsam gegen die Decke des Zimmers entschweben will.
In der Mitte der Kastendecke sei
außen ein Haken mit Seil befestigt und an diesem fange nun ein
Wesen von uns gleichgültiger Art mit konstanter Kraft zu ziehen
an. Dann beginnt der Kasten samt dem Beobachter in gleichförmig
beschleunigten Fluge nach „oben“ zu fliegen. Seine
Geschwindigkeit wird im Laufe der Zeit ins Phantastische zunehmen -
falls wir all dies beurteilen von einem anderen Bezugskörper
aus, an dem nicht mit einem Stricke gezogen wird.
Wie beurteilt aber der Mann im
Kasten den Vorgang? Die Beschleunigung des Kastens wird vom Boden
desselben durch Gegendruck auf ihn übertragen. Er muß
also diesen Druck mittels seiner Beine aufnehmen, wenn er nicht der
ganzen Länge nach den Boden berühren will. Er steht dann
im Kasten genau wie einer in einem Zimmer eines Hauses auf unserer
Erde steht. Läßt er einen Körper los, den er vorher
in der Hand hatte, so wird auf diesen die Beschleunigung des Kastens
nicht mehr übertragen; der Körper wird sich daher in
beschleunigter Relativbewegung dem Boden des Kastens nähern.
Der Beobachter wird sich ferner überzeugen, daß die
Beschleunigung des Körpers gegen den Boden immer gleich groß
ist, mit was für einem Körper er auch den Versuch
ausführen mag.
BILD 1: Massen-Äquivalenz
Der Mann im Kasten wird also,
gestützt auf seine Kenntnisse vom Schwerefelde, wie wir sie im
letzten Paragraphen besprochen, zu dem Ergebnis kommen, daß er
samt dem Kasten sich in einem ziemlich konstanten Schwerefeld
befinde. Er wird allerdings einen Augenblick verwundert sein
darüber, daß der Kasten in diesem Schwerefeld nicht
falle. Da entdeckt er aber den Haken in der Mitte der Decke und das
an demselben gespannte Seil, und er kommt folgerichtig zu dem
Ergebnis, daß der Kasten in dem Schwerefeld ruhend aufgehängt
sei.
Dürfen wir über den
Mann lächeln und sagen, er befinde sich mit seiner Auffassung
im Irrtum? Ich glaube, wir dürfen das nicht, wenn wir
konsequent bleiben wollen, sondern wir müssen zugeben, daß
seine Auffassungsweise weder gegen die Vernunft noch gegen die
bekannten mechanischen Gesetze verstößt. Wir können
den Kasten, wenn er auch gegen den zuerst betrachteten „Galileischen
Raum“ beschleunigt ist, dennoch als ruhend ansehen. Wir haben
also guten Grund, das Relativitätsprinzip auszudehnen auf
relativ zueinander beschleunigte Bezugskörper und haben so ein
kräftiges Argument für ein verallgemeinertes
Relativitätspostulat gewonnen.<<
Bei diesem Gedankenexperiment
EINSTEINs, das durch BILD 1 veranschaulicht wird (Bild 1
selbst stammt nicht von Einstein), wird das Schwerefeld nicht als ein
statisches sondern als ein dynamisches Phänomen betrachtet.
Berücksichtigung
von Rotationen
Das Gedankenexperiment
enthält jedoch ein wesentliches Problem:
Da eine konstante
Hubkraft vorausgesetzt ist, beginnt (mit Einsteins eigenen Worten)
der Kasten samt dem Beobachter in gleichförmig beschleunigtem
Fluge nach „oben“ zu fliegen. Seine Geschwindigkeit wird im
Laufe der Zeit ins Phantastische zunehmen.
Eine Geschwindigkeit
oberhalb der Lichtgeschwindigkeit ist aber laut Lehrbuchaussagen
unmöglich. Außerdem widerspricht sie der speziellen
Relativitätstheorie, die von EINSTEIN selbst stammt. Das
Gedankenexperiment führt sich also scheinbar selbst ad absurdum.
Ganz anders wird jedoch
die Interpretation, wenn man berücksichtigt, daß praktisch
alles im Kosmos rotiert. Bei Rotationen können
nämlich ständig gleichbleibende Beschleunigungen und damit
Beschleunigungskräfte aufrecht erhalten werden, ohne daß
irgend eine Größe phantastische Werte erreicht oder
überschreitet. Dies ist jedem Physiker durch die
Zentrifugalbeschleunigung und die Zentrifugalkraft
geläufig.
Wie läßt
sich diese Analogie auf das Gedankenexperiment EINSTEINs übertragen?
Das 1. Axiom NEWTONs vernachlässigt die Rotation der
Himmelskörper, wie an anderer Stelle (FRIEBE
1998)bereits gezeigt wurde. Dort wurde auch begründet, warum
dieses Axiom folgender Neufassung bedarf:
Jeder Körper
ohne Drehimpuls beharrt in seinem Zustande der Ruhe oder der
gleichförmigen geradlinigen Bewegung, wenn er nicht durch
einwirkende Kräfte gezwungen wird, seinen Zustand zu ändern.
Durch den Zusatz „ohne
Drehimpuls“ wird eine mehr als 300 Jahre alte,
dogmatische Einschränkung aufgehoben und der Weg frei, das
Bewegungsverhalten von Körpern mit Drehimpuls zutreffend zu
beschreiben. Es folgt nämlich, daß sich bewegte Körper
„mit Drehimpuls“ auf krummlinigen
Bahnen, vorzugsweise Kreisen, bewegen. Dabei ist die Bahnkrümmung
eine Funktion des Verhältnisses Impuls / Drehimpuls, die
Orientierung der krummlinigen Bahn eine Funktion der vektoriellen
Richtung des Drehimpulses.
Das klassische Gesetz
für Zentrifugalkräfte und
Zentrifugalbeschleunigungen bedarf in diesem Zusammenhang
einer Abänderung. Die vom Verhältnis Impuls / Drehimpuls
bestimmte kreisförmige Bahn stellt eine Grenzkurve dar.
Bei Vergrößerung des Verhältnisses wird der bewegte
Körper - von der Grenzkurve ausgehend - nach außen zu
einer Kreisbahn mit größerem Radius wegfliegen, bei
Verkleinerung dagegen wird er nach innen zu einer Kreisbahn mit
kleinerem Radius streben. Ein Himmelskörper, bei dem das
Verhältnis Impuls / Drehimpuls über sehr lange Zeit
konstant bleibt, bewegt sich daher auf einer fest vorgegebenen,
vorzugsweise kreisförmigen Bahn. Die krummlinige Bewegungsbahn
der Himmelskörper ergibt sich also ganz von selbst aufgrund
ihrer Eigenrotation, die sowohl von NEWTON als auch von
EINSTEIN vernachlässigt wurde.
Geht man beim
Gedankenexperiment Einsteins statt von einer linearen Beschleunigung
nun von einer kreisförmigen Beschleunigung aus, wie sie auf der
Erdoberfläche wegen der Erdrotation ohnehin gegeben ist, wobei
diese Beschleunigung im klassischen Sinne eine senkrecht von
der Erdoberfläche weggerichtete Zentrifugalbeschleunigung ist
(BILD 2), so ergibt sich folgendes:
BILD 2: Klassische Auffassung der
Zentrifugalbeschleunigung
Aufgrund der
vorstehenden Überlegungen bezüglich einer Grenzkurve
gibt es einen Bereich, bei dem ein Streben nach innen vorliegt. Man
könnte von einer negativen Zentrifugalbeschleunigung
sprechen. Und diese empfinden wir als Schwerebeschleunigung
(Schwerkraft).
Vorstehende Gedanken
sollen noch etwas deutlicher gemacht werden: Die klassische Aussage
der Zentrifugalbeschleunigung senkrecht zur Erdoberfläche
bezieht sich ausschließlich auf den mitdrehenden Beobachter.
Losgelöst hiervon betrachtet liegt ein Bestreben vor, die
Bewegung eines Massekörpers aufgrund seiner Massenträgheit
in einer tangential verlaufenden, geradlinigen Bahn verharren zu
lassen. Nach der neuen Interpretation liegt demgegenüber ein
Bestreben vor, die Bewegung eines Massekörpers in der gekrümmten
Grenzkurve verharren zu lassen. Würde sich ein
Massekörper von der Erdoberfläche lösen, so würde
seine Bewegungsbahn längs der gekrümmten Grenzkurve
verlaufen. Hierbei muß allerdings vorausgesetzt werden, daß
kein Hindernis dem entgegensteht, beispielsweise die weniger stark
gekrümmte Erdoberfläche. In diesem Fall entsteht ein
Zwangszustand, den wir als negative Zentrifugalbeschleunigung
und damit - wie gesagt - als Schwerebeschleunigung (Schwerkraft)
empfinden. Die Annahme einer Massen-Anziehungskraft (Fernkraft)
ist nicht mehr erforderlich. Ebenso kann die Annahme eines absoluten
Raumes, eines kosmischen Mediums oder eines gekrümmten
Raumes entfallen.
Es könnte jetzt
der Einwand erhoben werden, daß die von NEWTON postulierte
Massen-Anziehungskraft durch zahlreiche Experimente bestätigt
worden sei. Diese Aussage bedarf einer Klarstellung.
Viele Wissenschaftler
glauben, die von den Experimentalphysikern vorgelegten Meßergebnisse
seien unverrückbare Tatsachen. Dies ist nicht der Fall. Denn
fast alle modernen Meßverfahren sind theoriegeleitete
Meßverfahren, die zusätzlich einer
mathematisch-rechnerischen Auswertung bedürfen. Das heißt:
Es besteht ein echtes Wechselspiel zwischen Theorie und Experiment
derart, daß ein und dasselbe Experiment zwei oder mehr als zwei
Interpretationen zuläßt, je nachdem, von welcher
Hintergrundüberzeugung (Paradigma) man ausgeht. Dabei können
sich diese Interpretationen ganz wesentlich voneinander
unterscheiden. Dieser Sachverhalt ist besonders klar dargelegt in der
Arbeit KUHN, W. (1983): „Das Wechselspiel von Theorie und
Experiment im physikalischen Erkenntnisprozeß“. Das
aufmerksame Studium dieser Arbeit wird empfohlen.
Der Glaube an die
Weltmaschine
In gleicher Richtung
zielen auch die Ausführungen von TETENS (1984). „Der Glaube
an die Weltmaschine. - Zur Aktualität der Kritik Hugo Dinglers
am physikalischen Weltbild“. Hierin wird u. a. ausgesagt (Zitate
von Seite 95/96):
>>Nun
gehen Störungen gerade von solchen natürlichen Bedingungen
und Vorgängen aus, die wir noch nicht „in unsere Apparate
eingefangen und isoliert“ (Dingler) haben. Physiker suchen in
einem solchen Fall nach einem Wissen darüber, wie man Störungen
ausschalten und beseitigen kann. So haben etwa farbige Ränder
an Linsen, die die Beobachtungen mit optischen Geräten
beeinträchtigen, den Anstoß gegeben zu Fragestellungen,
die auf wichtige theoretische „Gesetze“ der Optik führten,
oder wurden die Hauptsätze der Thermodynamik aufgestellt im
Zusammenhang mit Bemühungen, Prozesse zu koppeln und den
Wirkungsgrad dabei zu optimieren. Jedenfalls bedienen sich die
Physiker bei dem Versuch, Störungsbeseitigungswissen zu
entwickeln, wieder der experimentellen Methode, so daß
zugleich mit Gesetzen für solche Störungen auch Apparate
oder verbesserte Versionen der ursprünglichen Apparate zur Hand
sind, die diese Gesetze funktional erfüllen. . . . . . . . . Da
wir Natur nicht einfach im Labor imitieren, tragen die sogenannten
Naturgesetze ihren Namen ganz zu Unrecht. Würden wir sie, was
methologisch viel gerechtfertigter wäre, Apparategesetze
nennen, würde bei uns viel eher das Bewußtsein dafür
wachgehalten, daß unsere „natur“wissenschaftlichen
Laborresultate in einem tendenziellen Widerstreit zur Natur
„draußen“ stehen.<<
Unter Berücksichtigung dieser
Gedanken ergibt sich, daß alle sogenannten
experimentellen Bestätigungen von NEWTONs Gravitationsgesetz
- wegen unzulässiger Extrapolationen der Meßwerte -
unschlüssig sind.
(siehe auch: FAHR / KNAPP 1989)
Literatur
DINGLER, H. (1987):
„Aufsätze zur Methodik“, herausgegeben von Ulrich
Weiß, Felix Meiner Verlag, Hamburg
DUHEM, P. (1908): „Ziel
und Struktur der physikalischen Theorie“, Leipzig 1908 und
Hamburg 1976
EINSTEIN, A. (1917):
„Über die spezielle und die allgemeine Relativitätstheorie
(Gemeinverständlich)“, Verlag Friedr. Vieweg, Braunschweig
FAHR, H.-J. / KNAPP, W.
(1989): „Newtons Gravitationsgesetz . . . nur die halbe
Wahrheit?“ aus Zeitschr. „bild der wissenschaft“, H.
3/89, S. 49 - 58
FRIEBE,
E. (1998): „Das 1. Axiom NEWTONs - Ursache der weltweiten
Krise der Physik“, DPG- Didaktik Frühjahrstagung,
Regensburg.
HERMAN,
R. (1991): „FUSION - The search for endless energy“,
Cambridge University Press, Cambridge, New York, Port Chester,
Melbourne, Sydney
KUHN,
W. (1983): „Das Wechselspiel von Theorie und Experiment im
physikalischen Erkenntnisprozeß“, DPG-Didaktik-Tagungsband
1983, S. 416 - 438
TETENS,
H. (1984): „Der Glaube an die Weltmaschine - Zur Aktualität
der Kritik Hugo Dinglers am physikalischen Weltbild“, aus:
Janich, P. (Hrsg.): „Methodische Philosophie - Beiträge zum
Begründungsproblem der exakten Wissenschaften in
Auseinandersetzung mit Hugo Dingler“, Bibliographisches Institut
Mannheim, Wien, Zürich
THÜRING, B.
(1967): „Die Gravitation und die philosophischen Grundlagen der
Physik“, Verlag Duncker & Humblot, Berlin
WALKER, J. (1990): „Ein
Ball mit Drall“, Fischer Taschenbuch Verlag GmbH, Frankfurt am
Main