Archiv verlassen und diese Seite im Standarddesign anzeigen : Konstanz der Lichtgeschwindigkeit
Es gibt in der Messtechnik ein Grundsatz, wonach es unmöglich ist, dass ein Messgerät mit sich selber kalibriert wird.
Entsprechend ist es nicht möglich, dass der Urmeter in Paris benützt wird, um den Urmeter selber zu überprüfen.
Auch wenn ich den Beweis davon nicht kenne, scheint mir dieser Grundsatz sehr plausibel.
Den Grundsatz anders formuliert: Die Funktionsweise des Messgeräts muss unabhängig sein von dem zu messenden Objekt.
Genau dieses Prinzip wird aber (aus meiner Sicht) schwerstens verletzt, wenn man die Lichtgeschwindigkeit messen will.
Um die Lichtgeschwindigkeit zu messen, benötigt man ja mindestens eine Uhr sowie ein Distanzmessgerät (Meter).
Nun sind aber beide direkt abhängig vom zu messenden Objekt (Lichtgeschwindigkeit).
Uhr: Hier ist es trivial ersichtlich wenn man eine Lichtuhr anschaut: Die Zählweise ist direkt proportional zur lokal vorherrschenden Lichtgeschwindigkeit.
Meter: Die Länge eines Meters basiert schlussendlich auf dem Durchmesser der verwendeten Atome. Den Durchmesser der Atome kann heute aber formelmässig gut berechnet werden. Und als wichtigster Einflussparameter auf den Atomdurchmesser steht in der Formel wieder die lokal vorherrschende Lichtgeschwindigkeit.
Mit anderen Worten: Basierend auf dem Grundprinzip der Messtechnik ist es unmöglich die Lichtgeschwindigkeit zu messen: Es muss immer derselbe Wert herauskommen.
Und jetzt endlich zur Frage:
Kann mir jemand erklären, weshalb man sich bei der SRT einer komplizierten 4 dimensionale Raum-Zeit Strukturen bedienen muss, um ein einfaches Messtechnisches Problem erklären zu können?
Gruss, Gepakulix
Guten Tag, Gepakulix!
Kennen wir uns vielleicht von irgendwoher?
Ich finde Ihre Frage sehr interessant und hoffe, dass die PHYSIKER-Experten expertenhaft auf diese Frage eingehen.
Leider bin ich kein Physiker - nur eine arme Meta-Physikerin, die sich über Vieles wundert, was da so in der Physik "getrieben" wird.
Im übrigen habe ich nichts dagegen, wenn die SRT falsifiziert wird - (und die ART evtl. noch dazu!).
Gruss, seberta
(EINSTEIN würde sich wahrscheinlich auch darüber freuen!?)
Die verwendeten Längen- und Zeiteinheiten sind willkürlich und lehnen sich an den (ungefähren) 40'000'000sten Teil des Erdäquatorumfangs und an den 86'400sten Teil des mittleren Sonnentages an. Auch mit anderen beliebigen Längen- und Zeiteinheiten würde eine Kostanz der Vakuumlichtgeschwindigkeit resultieren.
Die seit 1983 gültige Neudefinition des Meters als Wegstrecke, die das Licht in 1/299'792'458 Sekunden zurücklegt, trägt diesem Umstand Rechnung.
Was das alles mit der SRT zu tun haben soll, liegt an den Transformationseigenschaften zweier relativ zueinander bewegter Koordinatensysteme. Nach der klassischen Galilei-Transformation müsste sich als Relativgeschwindigkeit einer bewegten Lichtquelle c±v ergeben, was aber nicht der Fall ist. Erst die Lorentz-Transformation liefert die richtige Grundlage der aus der Elektrodynamik gewonnenen Befunde. Demnach wird diese Invarianz von c in allen Inertialsystemen durch die Zeitdilatation und Längenkontraktion bewirkt mit
x'=γ*(x-vt) und x=γ*(x'-vt')
t'=γ*(t-vx/c²) und t=γ*(t'-vx'/c²)
und γ=1/sqrt(1-v²/c²), womit v = v' = x/t = x'/t' ebenfalls invariant ist.
Grüsse, rene
Meiner Ansicht nach ist Lichtgeschwindigkeit nur insoweit konstant, wie es das System in dem sie gemessen wird vorschreibt. Es erleichtert einiges, wenn man dazu ein System verwendet, das man auch prüfen kann.
Deswegen bezweifel ich auch, das die ART/SRT jemals falsifiziert wird, da sie unsere 4 dimensionale Wahrnehmung umschreiben und Lichtgeschwindigkeit darin als Konstante definieren. Eine Konstante eigenet sich optimal um ein Messsystem zu eichen und nicht im umgkehrt den Masstab festzulegen und die Konstante anzupassen.
Ein schönes Beispiel wäre da der Tunneleffekt, bei dem es scheint, als würde etwas sich schneller als das Licht bewegen, allerdings muss früher ankommen nicht schneller bedeuten, Wenn sich etws in Nullzeit durch ein Medium bewegt kann man nicht mehr von Geschwindigkeit reden, da für eine Geschwindigkeit die Zeit immer ungleich Null sein muss.
Hallo Rene,
...Die seit 1983 gültige Neudefinition des Meters als Wegstrecke, die das Licht in 1/299'792'458 Sekunden zurücklegt...
Es stimmt natürlich schon, dass dies die heutige Definition von Meter ist (und nicht der Urmeter in Paris). Aus meiner Sicht ist es zudem eine sinnvolle Definition.
Nur ergibt dies für diesen Thread hier ein Problem, weil diese erwähnte Definition ja genau darauf aufbaut, dass das Licht immer dieselbe Geschwindigkeit hat.
Und es macht wohl keinen Sinn,
- zuerst die Lichtgeschwindigkeit als konstant definieren,
- und dann darauf basierend zu beweisen (oder in Frage zu stellen) dass die Lichtgeschwindigkeit konstant ist.
...Nach der klassischen Galilei-Transformation müsste sich als Relativgeschwindigkeit einer bewegten Lichtquelle c±v ergeben, was aber nicht der Fall ist...
Genau hier möchte ich ansetzen: Dieses "was aber nicht der Fall ist" basiert eben auf Messungen.
Man hat also Messungen gemacht, die in einer ersten Interpretation zeigen, dass dieses c±v nicht gefunden wird.
Nur braucht es eben für solch eine Messung Messinstrumente, welche dem minimalen Grundprinzip der Messtechnik entsprechen:
- Das Messgerät darf sich nicht automatisch am zu messenden Objekt nachkalibrieren.
- oder normal ausgedrückt: Die Messinstrumente müssen unabhängig sein vom zu messenden Objekt.
Nun ist aber jedes Messinstrument basierend auf seinem Bauprinzip eine direkte Funktion der Lichtgeschwindigkeit. Die Grundregel der Messtechnink ist (aus meinem Blickwinkel) schwerstens verletzt.
Wie sagt man so schön: "wer misst, der misst Mist"
Gruss, Gepakulix
Hallo Gepakulix
Nun ist aber jedes Messinstrument basierend auf seinem Bauprinzip eine direkte Funktion der Lichtgeschwindigkeit. Die Grundregel der Messtechnink ist (aus meinem Blickwinkel) schwerstens verletzt.
Wie sagt man so schön: "wer misst, der misst Mist"
Gruss, Gepakulix
Wenn du den Charakter einer jeden Messung sowieso bezweifelst, obwohl sich durch sie reproduzierbare Gesetze ableiten lassen, können wir aufhören Wissenschaft zu betreiben und beschreiben künftig die Natur ohne Messung (die angeblich sowieso nur Mist produziert) und verzichten erst recht auf einen Formalismus, der das Gemessene in die entsprechenden Relationen zueinander setzt (also wiederum nur Mist).
Abgesehen von Messfehlern verkennt solcher Nihilismus nicht nur die fundamentalsten Naturzusammenhänge, er trägt auch dazu bei, dass individuelle Gedankengänge ohne Falsifizierungsprüfungen zu einer Maxime erhoben werden, die durch ihre inflationsartige Verbreitung grössere Verwirrung und Widersprüchlichkeit erzeugt als es der Spielraum möglicher Interpretationen quantitativ ausgewerteter Experimente erlaubte.
Grüsse, rene
Hallo Rene,
Dieser Satz "Wer misst, misst Mist" habe ich zwar ganz zu Beginn im Fach Messtechnik gelernt, er ist aber offensichtlich deplaziert hier. Sorry.
Ich möchte nicht grundsätzlich alle Messungen in Frage stellen. Aber das bedeutet auch nicht, dass man deshalb jedes Messresultat akzeptiert.
Und das Grundprinzip der Messtechnik, wonach man ein Messgerät nicht am zu messenden Objekt kalibrieren kann, scheint mir mehr als plausibel.
Gruss, Gepakulix
Hallo Gepakulix
Nehmen wir z.B. den Drehspiegelversuch von Foucault:
http://de.wikipedia.org/wiki/Drehspiegelmethode
Da wird die Messanordnung wohl kaum mit dem zu vermessenden Licht kalibriert. Der Zollstock könnte weiss ich wie geeicht sein, die Uhr ebenfalls. Herauskommen würde stets das selbe Verhältnis zwischen der zurückgelegten Strecke und der Zeit.
Grüsse, rene
Hallo Rene,
O.k., der Foucault Pendel.
Zuerst ist es mir wichtig, die versteckten Bedingungen explizit aufzuschreiben.
Damit meine ich jene Bedingungen die (ohne bei Wikipedia genannt werden) auch wichtig sind für die Interpretation des Experimentes.
Soweit ich sehe ist es die Distanz s:
Es wird hier angenommen (Vorbedingung), dass sich die Entfernung s nicht in der Länge ändert, wenn sich die Lichtgeschwindigkeit verändert.
Das wäre eine Annahme, welche nicht bewiesen ist, und somit hier nicht einfach gemacht werden dürfte.
Ich denke mir 2 identische Situationen,
- bei der ersten ist die horizontale Geschwindigkeit normal (c)
- bei der zweiten ist die horizontale Geschwindikeit nur halb so gross.
Nun hat die Lichtgeschwindigkeit nicht nur einen Einfluss auf den Lichtstrahl, sondern auf alle Gegenstände in der Versuchsanordnung.
So auch auf die Atome im Massstab, der die Länge s ausmisst.
Wenn sich die horizontale Lichtgeschwindigkeit verändert, so verändert sich (vgl Atommodelle) auch der horizontale Durchmesser der Atome im Massstab, und somit die Länge des Massstabes.
Aber ebenso die Durchmesser der Atome in der Halterung (welcher die Entfernung der beiden Spiegel fixiert).
Mit anderen Worten, wenn sich die horizontale Lichtgeschwindigkeit verändert, so verändert sich auch die Distanz s, ohne dass man es mit dem Massstab sehen kann, weil der sich ja auch verändert hat.
Wenn sich die Distanz s also gleichzeitig mit der Lichtgeschwindigkeit halbiert, so kann das Foucoult-Pendel-Experiment schlussendlich keinen Unterschied mehr erkennen.
Ich hoffe, das war nicht allzu verwirrend geschrieben. (dem eigenen Gedankengang kann man immer am besten folgen :) )
Gruss, Gepakulix
Hi Gepakulix
Verwechselst du da nicht die erfolglosen Nachweise eines irgendwie gearteten absoluten Äthers, der, selbst wenn es ihn gäbe, mit unseren relativen Methoden nicht nachgewiesen werden könnte?
Nehmen wir mal an - rein hypothetisch natürlich - dass sich die Vakuumlichtgeschwindigkeit halbiert. Wir würden dies über den Zusammenhang der elektrischen und magnetischen Feldkonstante mit c0=1/sqrt(eps0*mü0) feststellen und nachweisen können.
Gute Nacht, rene
Hallo Rene,
...Verwechselst du da nicht die erfolglosen Nachweise eines irgendwie gearteten absoluten Äthers...
Irgendwo ist die Idee eines Aethers vielleicht tatsächlich benachbart. Aber auf dieses emotionale Minenfeld möchte ich mich lieber nicht begeben.:)
...Wir würden dies über den Zusammenhang der elektrischen und magnetischen Feldkonstante mit c0=1/sqrt(eps0*mü0) feststellen und nachweisen können...
Wenn die Lösung einer (anderen, hier nicht besprochenen) Aufgabe den Energieerhaltungssatz verletzt, dann ist für mich die Lösung wahrscheinlich falsch.
Natürlich könnte ich dann trotzdem versuchen, den genauen Ort zu suchen, wo sich der Fehler in einem Lösungsansatz eingeschlichen hat. Es wird aber auf dasselber herauskommen.
Im Prinzip ist es bei dieser erwähnten Aufgabe (c0=1/sqrt(eps0*mü0)) genau dasselbe Problem.
Wenn jemand ein Messgerät benützt, welches sich am Messobjekt nachkalibriert, dann kann kaum ein richtiges Resultat herauskommen.
Jetzt die Herleitung dieser Formel hier im Detail aufzuschreiben (und Möglichkeiten aufzulisten, wo eine solch fragliche Messung besteht) würde aber hier nur zur Konfusion führen.
Aus dem Gesichtspunkt der Geschichte der Naturwissenschaften ist das Problem für mich nachvollziehbar.
- Als man früher versucht hatte, die Geschwindigkeit des Schalls zu messen, hat man vergleichbare Messgeräte benützt.
Zum Glück funktionieren die Messgeräte (Uhr, Meter) aber unabhängig der Schallgeschwindigkeit.
Deshalb war es auch möglich, die Schallgeschwindigkeit einfach zu messen.
- Als man dann versucht hatte, die Lichtgeschwindigkeit zu messen, ging man von dennselben Annahmen aus: Die Messgeräte sind unabhängig der Lichtgeschwindigkeit.
Entsprechend entstanden auch die damals zuerst verwirrenden Resultate (vgl Foucault Pendel, das Michelson-Morley Experiment..).
Der SRT ist es dann gelungen, trotz diesen Annahmen (Messgeräte messen unabhängig der Lichtgeschwindigkeit) eine in sich widerspruchsfreie Lösung zu präsentieren.
In der Zwischenzeit ist das Verständnis vom Aufbau der Materie (z.B. Atomdurchmesser) dermassen gestiegen, dass man diese damaligen Annahmen nicht mehr halten kann.
Heute kann man den Einfluss der Lichtgeschwindigkeit auf den Atomdurchmesser (und somit die Länge eines Massstabes) gut berechnen: Der Meter ist nicht unabhängigkeit der Lichtgeschwindigkeit.
Entsprechend müsste man auch die Interpretation dieser Experimente neu überdenken.
Gruss, Gepakulix
Hallo Gepakulix
Die Vakuumlichtgeschwindigkeit c0 geht als fundamentale Naturkonstante in zahlreiche mit ihr verknüpfte Messgrössen ein. Verändert sie sich, verändern sich auch die von ihr abhängigen Relationen und bleiben somit nicht unentdeckt. Beispielsweise die Energie E=mcc=h*f eines Photons, dessen Wellenlänge sich somit ebenfalls veränderte. In diesem Fall müsste man sich tatsächlich auch um das Metermass Gedanken machen, das ja ebenfalls über c0 mit der Sekunde verknüpft ist.
Grüsse, rene
Wolfgang H.
11.09.07, 22:18
Hallo Rene,
ist es denn nicht so,dass die Laufzeit von Photonen immer vom Gravitationspotential bzw. Energiedichte abhängig ist? Im eigenen IS
ist sie immer "c". Wenn aber die Photonen unterschiedliche Gravitationspotentiale durchlaufen ist die Laufzeit unterschiedlich.
Besser wäre zu sagen das Verhältnis von S/t eines Photons ist immer konstant.
Gruß W.
Hallo Wolfgang
Lokal wird immer c=s/t=konst. gemessen. Aus der ART wissen wir, dass die Energieänderung eines Massekörpers im Gravi-Feld die Zeitdilatation (nach ART) durch den Gradienten im Gravi-Feld bestimmt wird. Seine Eigenzeitkorrektur wird mit dE_pot bestimmt und als Energieänderung dE_pot pro 1J oder eben als dT pro 1s interpretiert.
Licht scheint gegenüber seiner Quelle im Gravitationspotential (z.B. Sonne) eben um die Differenz dE_pot rotverschoben und wird von seiner Energie E=h*f abgezogen. Die Potentialdifferenz ist also ein körperunabhängiges Mass für die Stärke eines Feldes:
dE_pot=M*G*(1/r2-1/r1)/c^2 Energieänderung im Gravi-Feld pro 1kg Probemasse
Die Gleichungen, nach denen sich ein elektromagnetisches Feld im Raum ausbreitet, sind durch das Prinzip der minimalen Kopplung aus jenen der Maxwelltheorie im flachen Raum gegeben. Ob man mit den Feldstärken oder Potentialen arbeitet, ob auf dem Niveau der Lagrangefunktion oder der Feldgleichungen, vor oder nach der Wahl von Eichbedingungen, kann man zu verschiedenen Resultaten gelangen. Wirkungsprinzip und Eichinvarianz sind dabei nützliche Wegweiser. Elektromagnetische Signale breiten sich längs ihrer Nullfläche aus und es ergibt somit einen Übergang zur geometrischen Optik, so dass sich die Deutung des Lichts auf ihrer Null-Geodäte von alleine ergibt.
Sieht man das Gravitationsfeld als nicht fest vorgegeben an, kann der lokale Term des Energie-Impuls-Tensors des elektromagnetischen Feldes verwendet werden (analog zum flachen Raum). Daraus resultiert eine komplizierte Selbstkopplung des elektromagnetischen Feldes, die für den Einfluss der Gravitation auf die Ausbreitung von Feldern typisch ist.
Es bestehen weitgehende Analogien zwischen den verschiedenen Standpunkten: Wir können entweder festlegen, dass ein Massstab (oder Uhr) an jedem beliebigen Raum-Zeit-Punkt per definitionem die gleiche, invariante Länge hat; daraus folgernd, dass das mit diesen Massstäben gemessene Linienelement durch die Riemannsche Geometrie gegeben ist. Dieser Konvention folgte Einstein. Andererseits können wir uns auch auf den anderen Standpunkt stellen, dass das Linienelement einer Raum-Zeit per definitionem durch das Minkowski-Linienelement gegeben ist. In dieser flachen Metrik gehen Uhren langsamer und schrumpfen Massstäbe, wenn sie in ein Gravitationsfeld eingebracht werden.
In einer Ebene, wo Massstäbe von Punkt zu Punkt unterschiedlich schrumpfen, kann das Verhältnis vom Umfang zum Durchmesser eines Kreises durchaus von Pi variieren. Daraus würde tatsächlich eine geringere Lichtgeschwindigkeit im Gravitationsfeld erfolgen als im gravitationsfreien Raum. Misst man aber die Lichtgeschwindigkeit lokal, erhält man wegen des Verhaltens von Massstäben und Uhren stets den gleichen Wert wie im gravitationsfreien Raum. Im renormierten Koordinatensystem (wegtransformiertes Gravitationspotential) ergeben sich die gleichen Charakteristiken wie im flachen Raum. Die unterschiedlichen Lichtgeschwindigkeiten sind durch die Benutzung von Koordinatenmassstäben zu erklären, deren Länge nicht mit den physikalischen Massstäben übereinstimmt. Um beim Bild der flachen Raum-Zeit zu bleiben, in der Massstäbe schrumpfen und Uhren langsamer gehen, ergibt sich eine Raum-Zeit abhängige Grenzgeschwindigkeit, deren Effekte ja gerade im Shapiro-Experiment gesucht werden. Das Licht braucht länger, weil es durch die gekrümmte Raum-Zeit einen längeren Weg zurücklegen muss.
Der Energie-Impulstensor der Materie als Quelle des Feldes ist durch den Energie-Impulstensor des Gravitationsfeldes selbst zu ergänzen. Das Gravitationsfeld erweist sich daher als selbstgekoppelt, was die Nichtlinearität der Theorie erklärt, da die Quelle des Feldes der Energie-Impulstensor ist, das Feld aber selbst Energie und Impuls besitzt. Ergänzt man die Lagrange-Funktion des Gravitationsfeldes auf eichinvariante Weise durch den Energie-Impulstensor des Feldes, so ergibt sich daraus eine Reihenentwicklung der vollen Lagrange-Funktion der ART, so dass man auf diese Art die Einsteinsche Theorie in ihrer vollen Nichtlinearität zurückgewinnt.
Grüsse, rene
Ich habe noch einen alten Beitrag von mir gefunden, der mit einem Gedankenexperiment diesen Sachverhalt illustriert.
Titel: Variable Lichtgeschwindigkeit
http://forum.quanten.de/read.php?f=1&i=32385&t=31108#reply_32385
Grüsse, rene
Wolfgang H.
12.09.07, 21:57
Hallo Rene,
vielen Dank für die umfangreiche Erklärung.
Wolfgang H.
...Und jetzt endlich zur Frage:
Kann mir jemand erklären, weshalb man sich bei der SRT einer komplizierten 4 dimensionale Raum-Zeit Strukturen bedienen muss, um ein einfaches Messtechnisches Problem erklären zu können?
Gruss, Gepakulix
Weil man den Äther respektive eine Absolutbewegung gegen den Äther aus messtechnischen Gründen nicht nachweisen kann, muss man sich zwangsläufig mit der Messung von Relativgeschw. zufrieden geben, um in ein anderes Inertialsystem transformieren zu können.
Die SRT macht also aus der Not eine Tugend, mit dem leidigen Nachteil, dass die Relativisten den Äther verbannen und gleichzeitig glauben, die Materie wäre vierdimensional.
Nicht die Materie selbst, sondern lediglich der (Mess-) Prozess zur subjektiven Wiederspieglung der Materie ist aufgrund der Tatsache, dass wir keine Absolut-, sondern nur Relativbewegungen messen können, vierdimensional.
Es wird durch die SRT also suggeriert, LK und ZD wären von Relativbewegungen abhängig, obwohl doch die eigentliche Ursache in der Bewegung durch einen wie auch immer gearteten Äther besteht.
Dies ließe sich mit der Äthertheorie auch nachweisen.
Gruß Waverider
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