Bücher: Darstellung und Erläuterung einer universalen physikalischen Ursache anhand der Sinneswahrnehmungen Schall und Licht von Gerhard Kemme

Buchtitel:
Bücher: Darstellung und Erläuterung einer universalen physikalischen Ursache anhand der Sinneswahrnehmungen Schall und Licht von Gerhard Kemme

Klappentext:
Erläuterung zu den Sinneswahrnehmungen Schall und Licht anhand der Darstellung eines grundlegenden Prinzips und Klärung der Frage, wie es zu den konstanten Geschwindigkeiten bei solchen Signalübertragungen kommt.

Welche Physik ist die "reguläre" Physik?

In den Foren wird heftig über Bezugsysteme gestritten, wenn es um Geschwindigkeiten geht - dies läuft dann allerdings noch ziemlich harmonisch, wenn man es mit dem "Gesprächsverlauf" bei der Frage vergleicht, welche Physik die richtige sei. Da Sprache alles hergibt, wird man dann hören, dass es sich bei der Physik, die an den Universitäten gelehrt wird, um die korrekte Physik handeln würde. Dies wird dann auch durch die Begriffe "Standardphysik" und "Standardmodell" unterstützt. Wer allerding in irgendwelchen Internet-Plattformen zusammen mit anderen Autoren Artikel schreibt, wird zu den meisten physikalischen Themen heftige Debatten erleben - d.h. mit dem Standard kann es nicht so weit her sein. Bewährt hat sich dann eigentlich der Gedanke, dass auch die Physik als Gesamtheit eine Modellvorstellung ist und somit die Realität der Natur mit Hilfe der Formulierung von Naturgesetzen auf die Menschenwelt abgebildet wird. Diese Sichtweise vereinfacht die Handhabung des Themas wesentlich. Denn der Begriff des "Modells" beinhaltet, dass eine Realität verändert dargestellt wird, damit sie mit Hilfe der Naturgesetze besser gehandhabt werden kann. Zu verschiedenen Zeiten an unterschiedlichen Orten und in unterschiedlichen Gruppen und Institutionen wird man unterschiedliche Akzente setzen und dementsprechend zu verschiedenartigen Ergebnissen kommen. Die Prämissen bestimmen die Beschaffenheit des physikalischen Outputs. Man wird zur Beurteilung von "Physiken" analysieren müssen, welche Interessen - eventuell auch welche eigennützigen Interessen verfolgt wurden. Idealisten werden sich eventuell auch auf den Wahrheitsstandpunkt stellen und als Forschungsziel die Ermittlung dessen angeben, was physikalisch wahr ist und somit der gesamten Menschheit (und sogar Flora und Fauna) nützt. Wer an dieser Stelle den Einspruch macht, dass die Anwendungen kaum funktionieren würden, wenn es unterschiedliche "Physiken" geben würde, sollte bedenken, dass Anwendungen physikalisch nur noch verwaltet werden und es allerdings dann wieder sehr heftig wird, wenn Funktionsweisen erklärt werden sollen oder ein neu ins Blickfeld gekommenes Phänomen erforscht werden soll.

Atomuhr

Allgemeines
Eine Atomuhr ist ein Gerät zur sehr genauen Messung der Zeit, deren Zeittakt der Eigenfrequenz von Caesium-Atomen abgeglichen wird. Nachfolgend die Beschreibung der Wirkungsweise einer solchen Uhr: Es wird ein Quarzoszillator VCXO (Voltage-Controlled Xtal Oscillator) als Zeitgeber benutzt, der eine  Wechselspannung mit der geregelten Frequenz fn zur Verfügung stellt. Mit dieser Frequenz fn  wird einerseits die eigentliche Uhr gesteuert und andererseits das Vergleichssignal zur konstanten Frequenz des Cs-Atomstrahls im Resonator zur Verfügung gestellt. Die Frequenz kann als Stellgröße wie bei einem Regelkreis automatisch nachgestellt werden, bis Resonanz zur konstanten Schwingung des Cäsium-Atoms erreicht ist. Wobei die Cäsium-Atome eine bekannte konstante Resonanzfrequenz von 9192 MHz besitzen. Die Wechselspannung des Quarzoszillators mit Frequenz fn wird im Frequenz-Generator in ein elektromagnetisches Wechselfeld mit fp = 9192 MHz umgewandelt. Diese "Mikrowelle" und ein Atomstrahl aus Caesium 133 werden gemeinsam in die Resonanz-Apparatur eingekoppelt, so dass die Cs-Atome bestrahlt werden und die Schwingungen der Mikrowelle und des Atoms miteinander "wechselwirken". Bei fo = fp = 9192 MHz registriert man eine resonanzartige Reaktion der Atome, die in ein Nachweissignal Id mit einer spektralen Linienbreite W umgesetzt wird. Das Signal Id enthält somit die Information, ob die Frequenz fp mit der Übergangsfrequenz der Atome fo übereinstimmt, das Signal wird so weiter verarbeitet, dass daraus ein Regelsignal Ur zur Regelung des Quartzoszillators VCXO zur Verfügung gestellt wird, dessen natürlichen Frequenzschwankungen werden so entsprechend der eingestellten Regelzeitkonstanten unterdrückt, und die Stabilität der atomaren Resonanz bestimmt die Qualität des Ausgangssignals. Vom VCXO wird meistens eine Normalfrequenz fn = 5 MHz zur Verfügung gestellt. Man rechnet meistens mit einem Umrechnungsfaktor k, so dass
fp = k * fn = k * 5 MHz = 9192,631770 MHz.

Übergänge zwischen den Energieniveaus
Die Atome des Cs-Strahls schwingen konstant 9192 MHz und man kann sich diesen Vorgang eventuell so vorstellen, dass eine Mikrowellenstrahlung von diesem Atom ausgesandt wird, wenn ein Elektron von einer höheren Bahn auf eine niedrigere fällt. Die Wellenlänge des ausgesandten Lichtes hängt dabei vom Energieabstand zwischen den Bahnen ab. Eine hohe Frequenz deutet auf einen sehr kleinen Energieunterschied hin,
Warum sind Elektronen überhaupt auf bestimmten Bahnen? Eine grundlegende und wichtige Tatsache der Quantenphysik ist es, dass die Elektronen der Atomhülle ihre spezifischen Eigenschaften haben, welche durch ihre Quantenzahlen beschrieben werden. Die Quantenzahlen bestimmen auch die Energie, die das Elektron hat, denn sie stammen von seinen Bewegungseigenschaften bzw. seinen elektrischen und magnetischen Eigenschaften. Deswegen haben die Elektronen verschiedene Bahnen im Atom. Die Hauptquantenzahl bestimmt die Bahn, aber daneben gibt es weitere Zahlen wie den Spin, der eine dem Elektron eigene magnetische Größe darstellt und die Zustände ”spin up” oder ”spin down” zeigen kann. Erst, wenn man die Elektronen anregt, wechseln sie von einem Zustand zum anderen, z.B. kann man etwas Energie zuschießen, per Mikrowelle oder Photon, um ein Elektron mit "spin down" zu veranlassen, den Sprung auf das Energieniveau "spin up" zu schaffen. Das Photon wird absorbiert, aber nach einiger Zeit fällt es wieder zurück  und strahlt dabei wieder ein Photon, z.B. mit 9192,631770 MHz, beim Caesium aus. Auch das aufgenommene Photon muss genau die passende Energie haben. Nachfolgend soll der Elektronenübergang im Caesium-133 verwendet werden, von dem die Frequenz des ausgesandten oder absorbierten Photon bekannt ist. Dadurch soll eine Quartzuhr immer wieder genau nachgestellt werden.

Funktionsprinzip
Die Caesiumuhr funktioniert nach folgendem Prinzip. In einem kleinen "Ofen", welcher einige Gramm des Metalls enthält, wird Caesium-133 verdampft und zu einem Cs-Atomstrahl mit Hilfe der Düse des Ofens gebündelt. Es handelt sich hierbei um kein radioaktives Material, d.h. die Caesium-133-Atome sind stabil und zerfallen nicht.
Kennzeichnend für den Atombau des Caesiums ist, dass sich nur ein Elektron auf der äußeren Schale befindet. Die inneren Schalen sind gefüllt mit stabilen Elektronen, so dass nur das Elektron auf der äußeren Bahn Relevanz für die Zwecke einer Atomuhr hat. Das äußere Elektron  kann zwei Spinzustände einnehmen. Solange die Temperatur des Cäsiums nicht extrem niedrig ist, sind beide Zustände etwa gleich besetzt. Um den Übergang messen zu können, muss einer der Zustände selektiert werden. Wie erwähnt, hat das Elektron durch den Spin ein magnetisches Moment und kann also unter Einwirkung eines äußeren Magnetfeldes abgelenkt werden, je nach Spin in unterschiedliche Richtungen. Der Strahl hinter dem Ofen passiert einen ersten Magneten, genannt Polarisator, der nur Atome im Energiezustand E₂ in die gewünschte Richtung ablenkt. Danach ist ein Strahl von Atomen vorhanden, bei denen alle äußeren Elektronen der Atome den Zustand ”spin down” besitzen und sich somit im energetisch tieferen Zustand befinden. Somit tritt ein zustandsselektierter Atomstrahl in den Mikrowellenresonator ein. Allgemein gilt, dass bei Übergang der Atome von dem einen in den anderen Zustand Energie in Form elektromagnetischer Strahlung mit einer Frequenz im Mikrowellenbereich von 9192631770 Hz absorbiert oder emittiert wird. Die Atome werden durch Mikrowellenstrahlung angeregt, den energetischen Zustand zu wechseln. Je näher die Mikrowellenfrequenz bei der Eigenfrequenz der Cäsium-Atome liegt, desto grösser ist die Wahrscheinlichkeit, dass Atome in den anderen Zustand übergehen. Im Resonator können die Übergänge zwischen den beiden Zuständen stattfinden. Durch Absorption von Photonen mit der genau passenden Frequenz kann man das Elektron umklappen lassen in den Zustand "spin up". Daher lässt man den Strahl durch einen Mikrowellen-Resonator fliegen, in dem die Atome mit Mikrowellen zusammentreffen, die exakt die passende Frequenz haben, um absorbiert zu werden. In den beiden Endpartien des Resonators werden die Atome mit dem Mikrowellenfeld bestrahlt, und im Resonanzfall gehen die Atome in den Zustand E₁ über.
Nach der Wechselwirkung mit dem Mikrowellenfeld  werden die Cäsium-Atome sortiert und jene Atome, die Energie aufgenommen haben, gezählt, d.h. es wird schließlich die Besetzung des anfangs ausselektierten Zustands gemessen. Wenn die Frequenz des Mikrowellenresonators mit der Eigenfrequenz des Atoms übereinstimmt, erhält man ein Signal-Maximum. Der Analysatormagnet lenkt nun gerade diese Atome auf einen geheizten Draht. Dort werden Cs-Atome zu Cs⁺-Ionen, die durch ein magnetisches Massenfilter auf die erste Dynode eines Sekundärelektronenvervielfachers (SEV) gelenkt werden.
Das im Diagram skizzierte Detektorsignal I_D als Funktion von f_p wird als "atomares Resonanzsignal" bezeichnet. Die Breite dieses Signals liegt im Bereich von 50-500 Hz und wird durch die Flugzeit T der Atome entlang der Resonatorlänge L bestimmt. Wenn die Flugstrecke lang genug ist, kann erwartet werden, dass der Strahl hinter dem Resonator ausschließlich Atome mit "spin up" beim äußeren Elektron aufweist. Ist aber die Frequenz etwas abweichend, werden nicht genug Elektronen "umgeklappt".
Das ist die Idee wie festgestellt werden kann, ob die Uhr aus dem Takt gerät! Somit wird die Frequenz des Mikrowellen-Resonators an die Uhr gekoppelt. Hinter dem Resonator werden mit Magneten erneut die Atome nach Spin sortiert. Wenn es ein Atom gibt, bei der der Spin noch nach unten zeigt, treffen diese im unteren Detektor auf. Aus dem Verhältnis kann bestimmt werden, wie die Uhr nachgestellt werden muss, um wieder genau die richtige Frequenz zu haben - so dass die Uhr genau läuft!

Spannungsimpuls

Während der Elektrische Strom mit Formelzeichen I auch populär gut bekannt und sein Zusammenhang mit Spannung und Widerstand aufgrund des Ohmschen Gesetzes gut rechenbar ist, wird das Thema Spannungsimpuls - obwohl in der heutigen Elektronik absolut wichtig - nach den eigenen Beobachtungen vernachlässigt. Nimmt man einen Stromkreis mit Spannungsquelle, doppelpoligem Ausschalter, Leitungen und Widerstand, so sind die Ladungen in der Spannungsquelle getrennt, so dass an einem Pol Elektronenüberschuss und am anderen Elektronenmangel herrschen, während die Leitungen hinter dem Schalter nach außen elektrisch neutral sind. Wird eingeschaltet, so bewegen sich in beiden Kabeln Spannungsimpulse mit ungefähr 0,7facher Lichtgeschwindigkeit. Der vom negativen Pol ausgehende Spannungsimpuls bewegt Elektronen von der Spannungsquelle in Richtung Widerstand und der vom positiven Pol ausgehende Spannungsimpuls bewegt positive Ladungen, was heißen soll, dass negative Ladungen oder Elektronen aus der Leitung in Richtung Spannungsquelle "abgesogen" werden. Der sich ausbreitende Spannungsimpuls stellt eine Änderung der Elektrischen Feldstärke E=F/q dar, so dass sich um den Leiter herum ein Magnetfeld auch dort bildet, wo noch keine Elektronen aus der Spannungsquelle nachgeflossen sind, d.h. die Leiter sind bereits dann durch Magnetfelder verbunden, wenn nur der Spannungsimpuls einen Leitungsabschnitt erreicht hat. Insofern ist es auch nicht verwunderlich, dass die Geschwindigkeit des Spannungsimpulses von der Kapazität und Induktivität des Kabels abhängt. Aus der Referierung und Entwicklung eines einfachen Modelles des Spannungsimpulses können allerdings interessante Fragestellungen und vielleicht sogar Einsichten abgeleitet werden. Stellt man sich ein solches Kabel unendlich lang vor, dann läuft auch der Spannungsimpuls immer weiter. Der Spannungsimpuls würde sich theoretisch unendlich weit und ewig ausbreiten, selbst wenn inzwischen die Batterie geleert worden ist. An dieser Stelle entsteht die Frage, ob Informationen bezüglich der Bedingungen und Verhältnisse am rückwärtigen Ende eines solchen Spannungsimpulses bis zur vorderen Impulsflanke durchkommen, d.h. den Impuls von hinten überholen können - dies ist populär nicht bekannt. Insofern sollte die Entleerung der Batterie keine Wirkung auf den Anfang des Spannungsimpulses haben. Selbstverständlich kann auch in einem einadrigen Kabel ein Spannungsimpuls sich ausbreiten, der somit vergleichbar wäre mit dem sich fortbewegenden Lichtsignal in einem Lichtleiter. Scherzhafte Leute meinen, dass man einen Lichtleiter, in welchem sich ein Lichtsignal ausbreitet, mit Anfang und Ende zusammen schließen könne, so dass dieses Lichtsignal auf ewig umlaufend wäre und Helligkeit spenden würde - nun andere glauben nicht daran und es käme auf einen Versuch an.  

Vergleich relativistisch und "äthertheoretisch"

Wenn ein Objekt mit konstanter Kraft F beschleunigt wird, dann ist zu beobachten, dass die Beschleunigung a mit zunehmender Geschwindigkeit v abnimmt. Der mathematische Sachverhalt wird nach der eigenen Kenntnis mit Hilfe zweier unterschiedlicher Modelle beschrieben, zum einen "äthertheoretisch" nach der Formel
a=(F-F_w)/m=F-1/2*rho*cW*A*v²)/m
und zum anderen nach der Formel für die relativistische Massenzunahme
a=F*sqrt(1-v²/c²)/m
die sich aus
m_rel=m/sqrt(1-v²/c²) und F=m_rel*a
ergibt. Es zeigt sich im untenstehenden Diagramm, dass sich ähnliche Kurvenverläufe ergeben:

Tunneleffekt

Wenn man ein Alpha-Teilchen, d.h. einen Helium-Kern, auf einen schweren Atomkern schießt, so nimmt wegen der Coulombschen Abstoßung die kinetische Energie um so mehr ab, je kleiner die Entfernung zum Atomkern wird. Dafür steigt die potentielle Ernergie des Alpha-Teilchens weiter an. Wenn die anfängliche Kinetische Energie ausreichend war, dann überwindet das positiv geladene Teilchen den Bereich der Coulomb-Kräfte und gelangt in den Bereich der Kernbindungskräfte. Andersherum benötigen Teilchen genügend Kinetische Energie, um den Potenzialwall der Kernbindungskräfte vom Kern weg nach außen zu überwinden. Allerdings ist es dann beim radioaktiven Alphazerfall verwunderlich, dass Alpha-Teilchen sich vom schweren, radioaktiven Atomkern entfernen können, obwohl sie nicht über die notwendige Kinetische Energie verfügen. Man bezeichnet den Vorgang der Überwindung eines solchen Potenzialwalls ohne ausreichende Energie als Tunneleffekt. Er besagt, dass Teilchen durch Barrieren hindurch gelangen - tunneln - können, die eigentlich unüberwindbar sind. Erklärung findet er bei quantentheoretischen Betrachtungen, wonach in den physikalischen Aussagen bezüglich des Verhaltens von Teilchen in der Nähe des Atomkerns eine gewisse Unschärfe vorhanden ist und die Anzahl der ohne ausreichende Energie durch den Potenzialwall kommenden Teilchen immer mit mehr als Null angegeben wird. Das Verblüffende dabei ist, dass die Teilchen offenbar keine Zeit für die Tunnelung brauchen. Der Tunneleffekt ist also ebenso - "unendlich" - schnell wie die so genannte Quantenteleportation: Selbst über die größten Distanzen im Universum - "spüren" - entsprechend präparierte Photonenpaare den Zustand des jeweils anderen Partners, ohne dass ein messbarer Informationsaustausch und damit Zeit nötig wäre. Einstein sprach von "spukhaften Fernwirkungen", die ihm höchst suspekt waren. 

Günter Nimtz hat gemeinsam mit Professor Alfons Stahlhofen von der Universität Koblenz das Tunneln von Photonen untersucht, um festzustellen, ob dies wirklich ohne Zeitverlust geschieht, also mit unendlicher Geschwindigkeit. Dazu haben die beiden Physiker digitale Signale mit Mikrowellen durch ein geteiltes Prisma aus Acrylglas geschickt und gemessen, wie lange sie unterwegs sind, wenn sie an der Kontaktstelle der beiden Prismen reflektiert werden. Dann zogen sie die Prismen auseinander, sodass ein Teil der Photonen gezwungen war, eine zusätzliche Strecke durch die eigentlich undurchdringliche Barriere Luft zu tunneln. Die an der Prismawand abgelenkten Photonen und die in die zweite Prismahälfte durchgelassenen "getunnelten" Photonen kamen genau gleichzeitig an den beiden Empfangsdetektoren an. Letztere hatte die Luft-Barriere also ultra-schnell überquert, um so viel schneller als Lichtgeschwindigkeit, dass die Forscher es nicht messen konnten. Dabei stellte sich heraus, dass die digitalen Signale immer zur gleichen Zeit und unverformt ankamen, selbst wenn sie einen ganzen Meter zusätzlichen Weg zurücklegen mussten. Daraus folgern Nimtz und Stahlhofen, dass beim quantenphysikalischen Tunneln tatsächlich keine Zeit vergeht, egal wie groß die Distanz ist. Das steht in völligem Einklang mit vielen Experimenten der Quantenphysik, wo der Tunneleffekt bisher aber nur auf atomaren Distanzen beobachtet wurde. Erklären lässt sich die unendliche Geschwindigkeit mit virtuellen Photonen, die sich am Ende der Tunnelbarriere wieder in reale Photonen verwandeln – auch dies nichts Neues, sondern von Nobelpreisträger Richard Feynman bereits vor Jahrzehnten vorhergesagt.

Lichtgeschwindigkeit und Mehr

Die Lichtgeschwindigkeit ist eine Naturkonstante, die meistens als Geschwindigkeit des Lichtes im Vakuum definiert wird und einen Zahlenwert von c = 299792458 m/s = 299792,458 km/s hat. So weit so gut, doch wird man bei der Angabe von Geschwindigkeiten nicht darauf verzichten können, zu sagen, worauf sich die Geschwindigkeitsangabe bezieht, d.h. man hat dort, wo ein solches Bezugssystem nicht intuitiv und als unausgesprochener Konsens vorhanden ist, eine Festlegung zu treffen. An dieser Stelle soll der Vorschlag gemacht werden, dass ersteinmal die Geschwindigkeiten der Ausbreitung einer Lichtwelle in einem Medium, z.B. in Glas oder in Luft als Vorbild genommen wird, d.h. es wird die Geschwindigkeit des Lichtstrahls bezüglich des als Ruhesystem funktionierenden Mediums angegeben. Diese Methode, ein Bezugssystem für die Geschwindigkeitsangabe einer sich ausbreitenden Lichtwellenfront zu wählen, könnte auch auf die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum Verwendung finden, indem man so tut, als ob das Vakuum ein Medium wäre. Insofern könnte die Lichtgeschwindigkeit im Weltraum dann auf ein Himmelskoordinatensystem bezogen werden, dessen Ursprung durch Geraden zwischen weit entfernten Fixsternen festgelegt wird. Teilweise wird die Lichtgeschwindigkeit auch auf die CMB (cosmic microwave background), d.h. die Hintergrundstrahlung, im Universum bezogen - allerdings weichen die Werte dann ab.

An dieser Stelle tritt dann oftmals die aus dem Sport bekannte Frage auf, ob es nicht schneller ginge und es gibt hierzu sehr unterschiedliche Ansätze. Dazu wäre die Frage zu klären, in welchem Falle man davon sprechen könnte, dass eine Geschwindigkeit größer als die Geschwindigkeit des Lichtes sei. Wenn eine Lampe eingeschaltet wird, dann breitet sich das Licht nach allen Seiten aus und man könnte überlegen mit welcher Relativ- oder Differenzgeschwindigkeit sich zwei Lichtwellenfronten, die genau auf der entgegengesetzten Seite liegen, sich voneinander entfernen - das wird sicherlich die doppelte Lichtgeschwindigkeit sein, doch damit ist nichts bahnbrechend neues ausgesagt, da es sich um zwei voneinander völlig unabhängige Ereignisse handelt. In diesem Zusammenhang wird oftmals auch die hohe Geschwindigkeit eines rotierenden Laserstrahls erwähnt, dessen Lichtpunkt z.B. mit dreifacher Lichtgeschwindigkeit über den Mond streichen würde. Es würde allerdings auch hier keine Information mit mehr als Lichtgeschwindigkeit übertragen werden.Wenn man es sich als Gedankenexperiment einmal vorstellt, dass ein Laserstrahl, der irgendeine Information projiziert, z.B. den Buchstaben "A", im Kreis rotiert und dabei eine Umdrehung pro Sekunde macht, dann würde er die Mondoberfläche mit einer Geschwindigkeit von
v=384000000*2*pi m/ 1s=24,12743158*10^8 m/s überstreichen, was ca. das 8fache der Lichtgeschwindigkeit wäre. Dies stände auf den ersten Blick im Widerspruch zur Behauptung, dass keine Information schneller als mit c=2,99792458*10^8 m/s übermittelt werden könne. Allerdings kann man hin und her überlegen, wie man will, es gelingt so nicht einen Buchstaben irgendwo einzugeben und ihn dann mit mehr als Lichtgeschwindigkeit zu einer Empfängerstation zu befördern.

Wenn sich ein bewegbares Objekt mit der Geschwindigkeit v_A bewegt und auf bzw. in diesem sich ein zweites Objekt mit der Geschwindigkeit v_B bewegt, dann möchte man annehmen, dass die Gesamtgeschwindigkeit v_Gesamt=v_A + v_B wäre - dem stimme ich zu - allerdings wird einer solchen Ansicht teilweise widersprochen, so dass dann doch der Versuch gemacht werden soll, einen Nachweis zu führen, dass v_Gesamt = v_A + v_B ist.
Die Bewegung der Objekte A und B soll über ein Zeitintervall t stattfinden, hierbei bewegt sich Objekt A um die Strecke s=a und das Objekt B um die Strecke s=b. Somit errechnen sich die Einzelgeschwindigkeiten v_A=a/t und v_B=b/t Die Gesamtgeschwindigkeit des Objektes B von außen aus betrachtet wäre dann
v_Gesamt=(a+b)/t=a/t+b/t=v_A+v_B
Wird also in einem bewegten Fahrzeug Licht eingeschaltet, dann bewegt sich bezüglich der Straße die Lichtwellenfront mit mehr als Lichtgeschwindigkeit - was fehlt wäre die praktische Bestätigung im Experiment.

Neutrinos schneller als Licht?
schneller-als-das-licht.
neutrinos-cern-licht

Verschiebung eines Gegenstandes

Fragen gibt es, die klingen so "doof", dass man sie kaum beantworten kann und mag. Als Beispiel sei die folgende genannt:  

Wie hoch ist die Geschwindigkeit, mit der sich die "Nachricht", dass ein Gegenstand verschoben werden soll, von einem Ende bis zum anderen überträgt?

Da die Surfer-Community nicht von der Gemeinde abgeschnitten ist, gibt man die Frage weiter und erhält die Antwort, dass solche Verschiebungen mit der Schallgeschwindigkeit des Materials stattfinden. Klopft man also an eine längere Eisenstange, dann müßte sich das Ende der Eisenstange gleichzeitig mit dem Eintreffen des Schallsignals verschieben - dieser Aussage sei einmal als Annahme geglaubt. Allerdings wird die Verschiebung einer Luftsäule langsamer als Schallgeschwindigkeit in Luft sein. Allerdings wird von allen befragten physikalischen Fachleuten verneint, dass sich ein solcher Verschiebungs-Impuls "instantan" - also augenblicklich ohne Zeitverzögerung - überträgt. Von der alltäglichen physikalischen Erfahrung her würde man annehmen, dass die Verschiebung eines sehr elastischen Gegenstandes langsam vonstatten ginge und die Verschiebung eines sehr harten schnell. Dieses wird auch ungefähr durch die Tabelle der unterschiedlichen Stoffe bestätigt, d.h. ein Diamant ist sehr hart - kann also kaum komprimiert werden - und besitzt eine hohe Schallgeschwindigkeit. Allerdings wird man bei Stoffen, die durch energieaufwändige Verfahren hergestellt werden, sogar Dichten von 10^15 g/cm³ und riesige Schallgeschwindigkeiten von c/sqrt(3) finden.

Element/Stoff	Schallgeschwindigkeit m/s	Härte nach Vickers	Dichte g/cm³
Wasser	1484	/	1
Gummi	150	/	0,940
Blei	1200	4	11,340
Stahl	5920	150 – 200	7,7
Beryllium	12900	1670	1,850
Aluminium	5100	50 – 70	2,710
Titan	6100	180	4,500
Kupfer	4700	70	8,92
Gold	2000	25	19,32
Diamant	18000	10.060	3,51
Quark-Gluon-Plasma (bei 1012 °C)	173085256,32732 = c/sqrt(3)	/	10^15

Rechnerisch kann man sich auch die Frage stellen, wie groß die Geschwindigkeit ist, mit der sich ein Bewegungsimpuls vom Stangenanfang bis zum Stangenende fortpflanzt. Eine solche Stange soll als eine Aneinanderreihung von federnd gelagerten Masseteilen angesehen werden: Eine Masse m_0 prallt auf eine Feder, an der eine Masse m_1 befestigt ist.

Ideal und Wirklichkeit am Beispiel der Zentripetalkraft

Der physikalische Begriff "Kreisbewegung" (Synonym: Rotation) ist grundlegend für das Verständnis einer Vielzahl von physikalischen Vorgängen: Erdrotation, Tide, Räder von Fahrzeugen und Zentrifugen. Aufgrund dieser Bedeutung für die Alltagsphysik ist es nicht nebensächlich, ob solche Vorgänge der Kreisbewegung angemessen verstanden werden. Eine Diskussion existiert hier bezüglich des Winkels zwischen dem Vektor der Bahngeschwindigkeit des Massepunktes und der wirkenden Zentripetalkraft. An dieser Stelle soll die These vertreten werden, dass dieser Winkel geringfügig größer als 90° sein kann.
Der Begriff "Zentripetalkraft" kann mathematisch und physikalisch beschrieben werden. Mathematisch ist es eindeutig, dass die "Zentripetalkraft" senkrecht auf dem Geschwindigkeitsvektor steht und dies kann bewiesen werden. In Bezug auf das physikalische Phänomen "Zentripetalkraft" streiten sich die Gelehrten, ob diese senkrecht auf dem Geschwindigkeitsvektor steht. Ohne Zweifel ändert der Geschwindigkeitsvektor ständig seine Richtung und behält seinen Betrag bei. Die Richtungsänderung muss bewirkt werden. Würde man ausschließlich eine senkrechte Kraft wirken lassen, so würde sich der Betrag der Geschwindigkeit erhöhen. Aus diesem Grunde spräche viel dafür, dass der Winkel zwischen Geschwindigkeitsvektor und Vektor der Zentripetalkraft etwas größer als 90° ist, damit einerseits in der alten Richtung tangential abgebremst und Richtung Mittelpunkt beschleunigt wird. Es gab in der Wissenschaftsgeschichte ständig Abweichungen zwischen der etablierten und veröffentlichten Meinung der Wissenschaft und offenkundigen physikalischen Tatsachen. Meines Erachtens existiert in diesem Fall ein Unterschied zwischen dem mathematischen Modell und dem physikalischen Phänomen, da die in der Analysis gebräuchlichen Grenzwertbildungen nicht in jedem Fall auf die physikalische Realität übertragen werden können. In dem Fall der Zentripetalkraft sollte von Zeitintervallen und nicht von Zeitdifferentialen dt gesprochen werden, da der Zentripetalkraft eine Wirkungskette zugrunde liegt.


















Zur Klärung des physikalischen Sachverhaltes in einem solchen angesprochenen Intervall wäre von dem Geschwindigkeitsvektor der Bahngeschwindigkeit am Anfang des Intervalls der entgegen gerichtete Geschwindigkeitsvektor aufgrund einer Verzögerung zu subtrahieren und zum anderen ein Geschwindigkeitsvektor in Richtung Mittelpunkt geometrisch zu addieren, so dass sich am Ende des Intervalls ein neuer Geschwindigkeitsvektor mit altem Betrag gebildet hat. Die Verzögerung wird - meiner Meinung nach - dadurch bewirkt, dass die Zentripetalkraft im Winkel von mehr als 90° wirkt und damit eine "rückziehende" Wirkung erzeugt.