Irrt?mer in der Elektronentheorie? |
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F?r die derzeitige Diskussion um die - Albert Einstein zugeschriebene - Relativit?tstheorie scheint mir folgender Beitrag von Ekkehard FRIEBE ganz wesentlich:
Irrt?mer in der Elektronentheorie?
http://www.ekkehard-friebe.de/Elektron.htm
Zitat: |
Irrt?mer in der Elektronentheorie?
Ekkehard FRIEBE, M?nchen
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Quelle:
FRIEBE, E. (1987): "Irrt?mer in der Elektronentheorie?",
Zeitschr. "raum & zeit", 30/87, S. 82 - 85
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In der Ausgabe Nr. 28 von "raum & zeit" hat der Autor bereits zu den Irrt?mern in der theoretischen Thermodynamik Stellung genommen. Heute besch?ftigt sich Ekkehard Friebe mit der orthodoxen Elektronentheorie und insbesondere mit der Deutung einer "Geschwindigkeitsabh?ngigkeit der Masse", die er als kostspieligsten Irrtum der Physikgeschichte bezeichnet.
Die Grundannahmen der Elektronentheorie
In seinem Buch: "Das Relativit?tsprinzip" schreibt LAUE (Zitat aus LAUE 1911, 5. 27/ 2:
"Die Elektronentheorie ist das Ergebnis der folgenden drei Gedanken:
1. Die Elektrizit?t ist atomistisch konstituiert.
2. Elektromagnetische Felder werden nur von Elektronen erregt und wirken nur auf Elektronen; sie haben ausschlie?lich im ?ther ihren Sitz. Die ponderablen K?rper kommen nur in zweiter Linie in Betracht, insofern sie Elektronen enthalten.
3. Der ?ther ist ein alles durchdringender, starrer K?rper und definiert so ein bestimmtes System, auf welches die Feldgleichungen zu beziehen sind. - Die Feldgleichungen selbst gehen aus den MAXWELLschen hervor, wenn . . . . . ." (Ende des Zitats).
Weiter f?hrt LAUE (1911, S.28 und 95) aus: "Die Elektronen werden in manchen Teilen der Theorie als starre Kugeln gedacht, doch ist in vielen anderen Teilen keine Annahme ?ber ihre Gestalt n?tig Das Kraftfeld einer ruhenden Kugel mit gleichf?rmiger Oberfl?chenladung ist der Gleichwertigkeit aller Richtungen wegen durch eine Reihe radialer Kraftlinien mit konstantem Winkelabstand bestimmt. Die Potentialfl?chen sind Kugeln, deren Radien wie die reziproken Werte der abnehmenden Reihe der ganzen Zahlen wachsen, wenn man das Potential stets um den gleichen Betrag verkleinert, denn . . . . . . ." (Ende des Zitats; vgl. auch BILD 1 bis 3.).
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Elektrostatik
Die klassische Elektrostatik geht von einem Ansatz aus, der eine elektrisch geladene Kugel voraussetzt, die von einer gegenpolig geladenen Kugelschale mit unendlich gro?em Radius kugelsymmetrisch umgeben ist. Daraus resultieren kugelsymmetrische Verh?ltnisse f?r die Kraftlinien (Feldlinien) des elektrostatischen Feldes (BILD 1).
Die Kugelsymmetrie an sich sagt noch nichts ?ber die r?umliche Abh?ngigkeit der Feldst?rke (Kraft-Intensit?t am Ort der Kraftlinien) aus. Deshalb hat man rein axiomatisch festgelegt, da? die Feldst?rke im Feld-raum eine quadratische Abh?ngigkeit vorn Kehrwert der Entfernung vom Mittelpunkt der inneren Kugel besitzen solle (BILD 2 und 3). Diese Darstellung ist zwar eine sich aus der Kugelsymmetrie anbietende M?glichkeit, sie folgt aber keineswegs zwingend. Deshalb wird in einzelnen Lehrb?chern behauptet, da? diese Zuordnung durch Me?ergebnisse, die dem "COULOMBschen Gesetz" zugrunde liegen, experimentell best?tigt sei. Diese Aussage bedarf einer n?heren Untersuchung:
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------------------------Bild 3------------------------
Das "COULOMBsche Gesetz" geht aus von zwei gleich gro?en, gegenpoligen, felderzeugenden Kugel-Ladungen, zwischen denen eine Wechselwirkung (actio = reactio) gegeben ist (BILD 4). Dabei ist das Kraftfeld r?umlich begrenzt, denn die Kraftlinien sind gekr?mmt und beginnen an der einen und enden an der anderen Kugel-Ladung.
Die Zuordnung beim radialsymmetrischen Feld gem?? BILD 1 dagegen setzt eine einzige felderzeugende Kugel-Ladung voraus, deren Kraftlinien linear sind, sich aber bis ins Unendliche erstrecken. Das "COULOMBsche Gesetz" kann daher als experimentelle Grundlage f?r die angeblich quadratische Abh?ngigkeit nicht herangezogen werden.
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Die axiomatisch vorgegebene quadratische Abh?ngigkeit f?hrt rein rechnerisch zu einer endlichen Kapazit?t einer (metallischen) Kugel, die sich vollkommen allein im weiten Kosmos befindet. Dies ist absolut unrealistisch. Denn es ist unm?glich, eine Kapazit?t lediglich einpolig zu messen.
Eine elektrische Kapazit?t l??t sich deshalb sinnvoll nur definieren als Wechselwirkung zwischen zwei leitenden Oberfl?chen. Andernfalls ist das Prinzip actio = reactio verletzt. Zu der Wichtigkeit dieses Prinzips wurde schon in anderem Zusammenhang ausf?hrlich Stellung genommen (SCHMIDT 1985, FRIEBE 1985).
Die rein rechnerische Endlichkeit der Kapazit?t einer Kugel im unendlichen Kosmos ist aus den dargelegten Gr?nden ein starkes Indiz gegen die postulierte quadratische Abh?ngigkeit.
Die eigentlichen Schwierigkeiten des radialsymmetrischen Ansatzes ergeben sich aber erst, wenn man die felderzeugende Kugel-Ladung zusammen mit einer zweiten Ladung betrachten will. Hierzu gibt es zwei M?glichkeiten:
a) Die zweite Ladung wird selbst als feldfrei angesehen, so da? sie das urspr?ngliche Feld nicht ver?ndert.
b) Die Felder beider Ladungen werden vektoriell ?berlagert (Superposition).
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Obwohl die M?glichkeit b) die exaktere ist, da sie gleichartige Ladungen auch gleichartig behandelt, hat sich die Theoretische Physik dennoch f?r die Darstellungsart a) entschieden, da sie mathematisch einfacher ist. Hierbei wird unausgesprochen eine Unterscheidung vorgenommen zwischen einer aktiven, felderzeugenden Ladung und einer passiven Ladung. Es wird also - rein willk?rlich - bei einer Ladung das "Eigenfeld" vernachl?ssigt (BILD 5). In dem durch eine aktive Ladung erzeugten kugelsymmetrischen Feld wird f?r jeden Aufpunkt P an dem sich eine (passive) Ladung befindet, eine Kraft F definiert, die in Richtung der radialen Feldlinien liegt. Die tats?chlich auftretende betragsm??ige Feld?nderung und Feldverzerrung wird unber?cksichtigt gelassen.
Es wird die Formel f?r die sogenannte elektrostatische "LORENTZ-Kraft" als Definitions-Gleichung verwendet [Glg. (1)]:
F = e ? E
mit:
F = Kraft zwischen aktiver und passiver Ladung,
e = Elementar-Ladung des passiven Elektrons,
E = elektrische Feldst?rke der aktiven Ladung,
wobei Vektoren durch Fettdruck gekennzeichnet sind.
Um den durch die Vernachl?ssigung des "Eigenfeldes" bedingten Fehler klein zu halten, hatte man im Rahmen der klassischen Elektrostatik zus?tzlich die einschr?nkende Bedingung eingef?hrt. da? die aktive Ladung wesentlich gr??er sein sollte als die passive Ladung. Sp?ter hat man diese Bedingung bei der Elektronentheorie ganz aus den Augen verloren. obwohl gerade die "Elektronen" definitionsgem?? sehr klein sind. Die Folge sind erhebliche numerische Fehler und vor allem qualitative Fehldeutungen.
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Besonders schwerwiegend ist nun eine Fehldeutung, die sich im Zusammenhang mit der Versuchsanordnung nach BILD 6 veranschaulichen l??t. Zwischen den beiden Platten eines Plattenkondensators ist eine kleinere, frei bewegliche dritte Platte aufgeh?ngt, an der die elektrostatische Kraftwirkung gemessen werden kann. BILD 7 zeigt den Feldlinienverlauf:
A: die ?u?eren Platten sind gegenpolig geladen, die mittlere Platte tr?gt keine Ladung
B: die ?u?eren Platten sind gleichpolig geladen. die mittlere Platte tr?gt eine gegenpolige Ladung
C: die mittlere und untere Platte sind gleichpolig geladen, die obere Platte tr?gt eine gegenpolige Ladung. Man erkennt aus BILD 7C, da? das "Eigenfeld" der kleineren Platte nicht vernachl?ssigbar ist.
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Besonders deutlich wird dies, wenn man jetzt die kleinere Platte bei unver?nderter Ladung aus dem Feldraum der beiden gro?en Platten herausnimmt. Aufgrund ihres "Eigenfeldes" wird die kleinere Platte weiterhin mit der oberen Platte in Wechselwirkung stehen, also eine elektrostatische Kraft in Richtung zur oberen Platte hin erfahren. Dagegen ergibt sich aus Glg. (1) eine Kraft gleich Null, da hier die Feldst?rke der felderzeugenden gro?en Platten gleich NULL vorausgesetzt ist.
Der rechnerische Fehler wird noch gr??er, wenn die kleinere Platte in ein anderes, potential-getrenntes Feld, z. B. eines zweiten Plattenkondensators, gebracht wird. Hier errechnet sich gem?? Glg. (1) eine Kraft, die im wesentlichen von dem Feld zwischen den Platten des zweiten Kondensators bestimmt ist, obwohl - wegen der Potentialtrennung - die Ladung der kleineren Platte mit diesem Feld gar nicht in Wechselbeziehung steht.
Erst wenn beide Kondensatoren potentialm??ig verbunden werden, kann durch Influenzwirkung auch der zweite Kondensator mit der Ladung der kleineren Platte in Wechselwirkung treten. Die erforderliche Umladung ben?tigt jedoch eine endliche Zeit. Aus diesem Grunde k?nnen Hochenergiebeschleuniger, die im Prinzip aus einer sehr langen Kette von Einzel-Kondensatoren bestehen, eine Energiefortpflanzung nur in endlicher Zeit bewirken. Daher resultiert die sogenannte "Grenzgeschwindigkeit".
Die Deutung einer "Geschwindigkeitsabh?ngigkeit der Masse" ist offensichtlich falsch und wohl der kostspieligste Irrtum, der je in der Physikgeschichte gemacht wurde (vgl. FRIEBE 1983).
Durch die Vernachl?ssigung des "Eigenfeldes" der einen beteiligten Ladung wird also der eingangs aufgestellte Grundgedanke verletzt, demgem?? nur eine Art von Elementar-Ladungen eingef?hrt werden sollte. Dennoch weist kein Lehrbuch auf die Unterscheidung von aktiver und passiver Ladung hin, denn es gibt im Rahmen der Elektronentheorie nur ein einziges Formelsymbol f?r das Elektron. Auch findet man nirgends eine Aussage, auf welche Art von Ladung sich die angeblichen experimentellen Best?tigungen zur realen Existenz des Elektrons beziehen.
Elektrodynamik
Im Rahmen der Elektrodynamik nimmt die Elektronentheorie an, da? ein bewegtes Elektron magnetische Wirkungen hervorruft. Hierzu wird das Produkt
Ladung mal Ladungsgeschwindigkeit
einem elektrischen Strom gleichgesetzt. Obwohl diese Annahme zun?chst plausibel und nicht im Widerspruch zu experimentellen Befunden zu sein scheint, ist sie dennoch ohne klare Definition. Denn nach Fortfall der ?therhypothese ist diese Annahme gleichbedeutend mit einer Festsetzung der Elektronen-Geschwindigkeit relativ zum Unendlichen. Eine derartige Definition ist aber unendlich vieldeutig und daher einer experimentellen ?berpr?fung und einer exakten mathematischen Behandlung nicht zug?nglich. Die daraus resultierenden begrifflichen Schwierigkeiten sind die Ursache der zahlreichen Paradoxa der speziellen Relativit?tstheorie (vgl. THEIMER 1977, 1986; GUT 1981).
Beseitigung der Schwierigkeiten
Die aufgezeigten Schwierigkeiten sind dadurch bedingt, da? nur eine Art von Ladungstr?gern (negative Elementarladungen = Elektronen) vorausgesetzt ist. Die Schwierigkeiten l?sen sich in erstaunlich einfacher Weise auf, wenn man auch positive Elementarladungen (Positronen) als gegeben annimmt, deren Eigenfeld voll ber?cksichtigt wird. Man erh?lt dann durch ?berlagerung die bekannten Feldlinienbilder, die FARADAY schon 1836 nachgewiesen hat (BILD 4).
Die Positronen wurden bereits im Jahre 1932 durch ANDERSON in der WILSONschen Nebelkammer entdeckt. Dennoch wurde diese Entdeckung bis heute noch nicht in konsequenter Weise weiterverfolgt. Durch Einf?hrung der Positronen (anstelle von "L?chern" oder "passiven Ladungen") unter Verwendung der in der Technik allgemein ?blichen Strom-Definition:
Ladung pro Zeiteinheit
bezogen auf einen Bezugsquerschnitt werden alle elektro-magnetischen Erscheinungen auf reine Wechselwirkungen zur?ckf?hrbar. Der Begriff des Unendlichen verschwindet. Das Relativit?tsprinzip in seiner klassischen Form, wie es EINSTEIN urspr?nglich gefordert hatte, sowie das Prinzip "actio = reactio", das dem qualitativen Befund der Experimente zum "COULOMBschen Gesetz" entspricht, werden widerspruchsfrei anwendbar.
Es w?rde zu weit f?hren, hierauf an dieser Stelle im einzelnen einzugehen. Es wird auf die Arbeit: "Analyse des physikalischen Aussagegehalts der MAXWELLschen Elektrodynamik" (FRIEBE 1985) verwiesen, wo eine entsprechende Modellvorstellung entwickelt wird.
Anregungen f?r den Physik-Unterricht
a) Der Begriff der Kapazit?t einer Kugel im unendlichen Feldraum sollte gestrichen werden. Die Kapazit?t ist ausschlie?lich am Platten-Kondensator einzuf?hren und klar als Wechselwirkung zwischen zwei leitenden Oberfl?chen zu definieren.
b) Es ist im Unterricht stets darauf hinzuweisen, da? die Formel f?r die "LORENTZ-Kraft" nur eine N?herung darstellt, die kleine passive Ladungen und Potentialbindung zwischen verschiedenen Feldern und langsame Vorg?nge zur Voraussetzung hat.
c) Der Begriff der "Geschwindigkeitsabh?ngigkeit der Masse" sollte als historisch interessante Folgerung aus ungeeigneten Pr?missen dargestellt werden.
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LITERATUR
EINSTEIN, A. (1905): Zur Elektrodynamik bewegter K?rper. "Annalen der Physik", Bd. 17, S. 891 - 921
EULER, K.-J. (1981): Eine Entdeckung ver?ndert die Welt. Sonderheft der Zeitschrift: "elektrotechnik", S. 10 - 15
FRIEBE, E. (1983): Gibt es einen experimentellen Beweis f?r die sog. "Geschwindigkeitsabh?ngigkeit der Masse"? DPG-Tagung, Gie?en
FRIEBE, E. (1984): Kritische Betrachtungen zur klassischen Elektro-Statik. Zeitschr. "Wissen im Werden", Zwingendorf, 1984, H.2, S.3-7
FRIEBE, E. (1985): Analyse des physikalischen Aussagegehalts der MAXWELLschen Elektrodynamik. DABEI-Colloquium, Bonn, 1985, H.2
GUT B. J. (1981): Immanent-logische Kritik der Relativit?tstheorie. Verlag Rolf Kugler, CH 6317 Oberwil b. Zug
HUND, F (1980): Wer hat die Relativit?tstheorie geschaffen? Phys. B1., Bd. 36, H.8, S.237-240, Physik Verlag GmbH, Weinheim
JAMMER, M. (1964): Der Begriff der Masse in der Physik. Wissenschaftliche Buchgesellschaft, Darmstadt
K?PFM?LLER, K. (1973): Einf?hrung in die theoretische Elektrotechnik. 10. Auflg., Springer, Berlin, Heidelberg, New York
LAUE, M. (1911): Das Relativit?tsprinzip. Friedr. Vieweg, Braunschweig
LORENTZ, H. A. (1885): Versuch einer Theorie der elektrischen und optischen Erscheinungen in bewegten K?rpern. Leiden 1985
MESCHKOWSKI, H. (1976): Richtigkeit und Wahrheit in der Mathematik. Bibliographisches Institut Mannheim, Wien, Z?rich
POHL, R. W.(1960): Elektrizit?tslehre. Springer, Berlin, G?ttingen, Heidelberg, 17. Auflg.
POPPER, K.(1982): Logik der Forschung. Verlag Mohr, T?bingen, 7. Auflg.
SCHMIDT, W. (1985): Irreversible Wechselwirkungen und deren Anwendung. DABEI-Colloquium, Bonn, 1985, H.1
THEIMER, W.(1977): Die Relativit?tstheorie. Lehre - Wirkung - Kritik. Francke, Bern und M?nchen
THEIMER, W.(1986): Handbuch naturwissenschaftlicher Grundbegriffe. Francke, T?bingen
ZIMAN, J.(1982): Wie zuverl?ssig ist wissenschaftliche Erkenntnis? Friedr. Vieweg, Wiesbaden. Reihe: Facetten der Physik
(Zitatende) |
Lesen Sie bitte weiter (speziell wegen der Bilder 1 bis 7) unter:
Irrt?mer in der Elektronentheorie?
http://www.ekkehard-friebe.de/Elektron.htm
Beste Gr??e Ekkehard Friebe
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