flagge-engl
BuiltWithNOF
Konstanten variabel?

Buchmesse in Leipzig vom 14. - 17. März 2013
A K V Arbeitskreis Kleinere Verlage im Börsenverein des Deutschen Buchhandels

Zusammenfassung: Im Max-von-Laue-Kolloquium der Humboldt-Universität am 4. Juni und im Abendvortrag des Magnushauses am 22. Juni wurde nebenbei die Frage behandelt, ob Konstanten immer konstant sind, wonach sich schon Albert Einstein fragte.* Das motivierte mich, über dieses Problem nachzudenken. Bevor man jedoch spezielle Konstanten unter die Lupe nimmt, sollte die Lichtgeschwindigkeit untersucht werden. Aus ihr leitet die gesamte Physik weitreichende Schlüsse ab, und auf ihr ruht unser Masssystem. Man spricht  manchmal kritiklos von der Natur-Konstante Lichtgeschwindigkeit, ohne zugleich daran zu denken, dass diese Grösse schon a priori nicht konstant ist. Das durchströmte Medium bestimmt die Geschwindigkeit. Deshalb frage ich mich, ob man diese Grösse überhaupt als Konstante und nicht besser als Variable bezeichnen sollte? Besonders wichtig erscheint mir die richtige begriffliche Handhabung. Geschwindigkeit ist der Weg in der Zeiteinheit, hier die Wellenlänge [m] und die Frequenz [s-1]. Wir fixieren die Frequenz durch die Art einer Strahlung. Folglich kann nur die Wellenlänge variieren. Die Basis des Masssystems ist sicher, denn die Lichtgeschwindigkeit im erdnahen Vakuum ist durchschnittlich invariant (wenn man von speziellen Bedingungen absieht, die sich aus dem neuen Prinzip ergeben). Aber eine Serie anderer Analysen und Probleme wird neue Konsequenzen hervortreten lassen.
---------------------------------------------------------------------------------------------
In den Vorträgen: „Pulsschlag des Lichtes“ und „Die Quantenphysik als Grundlage der Technologie des 21. Jahrhunderts“ von Prof. Dr. Theodor W. Hänsch und Prof. Dr. Herbert Walther wurden einmal mehr Zweifel an der Konstanz von Konstanten geäussert. Bevor ich mir aber über die Rydberg-Konstante und andere spezielle Konstanten Gedanken mache, verweise ich auf die Lichtgeschwindigkeit, deren Konstanz besonders bedenklich erscheint. Sie hat für die gesamte Wissenschaft und Technik eine besonders grosse Bedeutung. Damit will ich die Rydberg-Konstante und andere Konstanten (Planck-Konstante, kosmische Konstante, Feinstruktur-Konstante etc.) keinesfalls kleinreden. Aber die Konstante c hat zentrale Bedeutung und müsste besonders zuverlässig sein. Auf ihr fussen entscheidende Schlussfolgerungen, nicht zuletzt unser Masssystem. Niemand behauptet zwar ernstlich, die Lichtgeschwindigkeit c sei tatsächlich konstant. Das ist schlechterdings unmöglich, denn jeder Physiker weiss - oder sollte seit Foucault wissen -, dass diese in Wasser um ca ein Viertel geringer ist als im Vakuum. In manchen Medien sinkt sie wenig (Gase, Alkohol), in festen durchsichtigen Medien jedoch stark (in Diamant um knapp und in Rutil um weit über die Hälfte). Den Zusammenhang zwischen der Substanzabhängigkeit der Lichtgeschwindigkeit und den Brechungsindizes der optischen Medien liefert das Snelliussche Gesetz, wonach das Verhältnis der Lichtgeschwindigkeiten umgekehrt proportional ist zum Verhältnis der Lichtbrechungen.
Das sind Einzelbeispiele. Wer das akzeptiert, besteht vielleicht dennoch auf der Konstanz im Vakuum. Nun will ich natürlich nicht unsere Zeit- und Längenmessung ins Wanken bringen. Wer will das schon? Aber ich habe den Verdacht, dass die Standardlichtgeschwindigkeit c0 in unserer Region des Kosmos keine obere Grenzgeschwindigkeit des Lichtes im gesamten Universum sein muss. Ich suche nach der Ursache für die Abweichungen. Unter einem solchen Aspekt wäre das interstellare Vakuum im erd- und sonnennahen Weltraum nur eine weitere Art optisches Medium mit einem zugegeben minimalen Brechungsindex und einer sehr hohen Ausbreitungsgeschwindigkeit c0. Warum aber sollte c überall c0 sein? Warum könnte c nicht generell relativ und in anderen Regionen des Kosmos - z. B. weit ab von Materieansammlungen im intergalaktischen Vakuum - nicht noch grösser sein als c0 nämlich: crel ®
¥ mit l rel ® ¥? Andererseits: Warum sollte c im entgegengesetzten Falle im Inneren exotischer kosmischer Objekte bei extremster Dichte nicht noch geringer sein als in Mineralien wie Diamant und Rutil mit cDiamant und cRutil, nämlich crel ® 0 wegen l rel ® 0?
Die Geschwindigkeit ist der Weg, den irgend etwas während einer Zeit zurücklegt. Beim Licht und bei beliebigen anderen elektromagnetischen Wellen sind es die Schwingungen, die mit extrem hoher Geschwindigkeit fortgeleitet werden. Jede elektromagnetische Welle hat aus einer Unzahl verschiedenster Strahlungsarten eine bestimmte Frequenz n und unter bestimmten Umständen eine bestimmte Wellenlänge l. Den Zusammenhang beschreibt c = ln [m/s oder ms-1], in Worten: Meter pro Sekunde; oder in direkterem Bezug zum Schwingungsphänomen: Wellenlängen pro Sekunde, Schwingungsperioden pro Sekunde. Konzentrieren Sie sich darauf, was in der Lichtgeschwindigkeit c überhaupt variieren kann, wenn wir uns für ein bestimmtes Licht (oder allgemeiner: für eine bestimmte elektromagnetische Wellenart) entschieden haben. Eine ganz bestimmte Art von Licht heisst monochromatisch und hat eine bestimmte Farbe. Da man aber bei elektromagnetischen Wellen nicht überall von Farbe spricht, muss man sagen: Strahlung einer bestimmten Frequenz n. Als Variable bleibt einzig die Wellenlänge l . Jeder Strahl durchläuft auf seinem Lebensweg nicht nur erdnahes Vakuum mit c0, sondern verschiedenste kosmische Regionen und die verschiedensten optischen Medien mit jeweiligen crel, und jedes dieser crel besteht aus der gemäss Voraussetzung invarianten Frequenz nmono und der zugeordneten Wellenlänge lrel.
Die Wertebereiche für die Geschwindigkeit c und die Wellenlänge l liegen zwischen unendlich und Null
([® ¥ > c > ® 0] und [® ¥ l  > ® 0]). Die möglichen Frequenzen n  aus der Unzahl verschiedener Arten elektromagnetischer Wellen liegen gemäss c =ln  umgekehrt dazu [→ 0 < n <  ].  c0 liegt nahe gegen unendlich, und tatsächlich galt die Lichtgeschwindigkeit auch anfänglich als unendlich und darf für Schätzungen im Vergleich zu anderen Geschwindigkeiten auch heute noch als unendlich gesetzt werden.
Obwohl die Frequenz n eines konkret betrachteten Lichtstrahls auf seinem Weg gleich bleibt, stellt sich bei jedem Wechsel des Mediums eine neue spezifische Geschwindigkeit ein. Die Wellenlänge lrel wird kleiner oder grösser und der pro Schwingungsperiode zurückgelegte Weg kürzer oder länger. Würde sich hingegen die Frequenz n ändern, dann entstünde ständig eine andere Art von Strahlung. Das aber ist beim Übergang zwischen Medien nicht der Fall. Was aber passiert, wenn der nämliche Strahl auf seinem Lebensweg wieder ins Vakuum zurückkehrt? Natürlich: Er nimmt wieder die im (erdnahen) Vakuum geltende Vakuumlichtgeschwindigkeit c0 ein. Ich jedenfalls bin davon überzeugt.
Was aber könnte nun die Ursache für unterschiedliche Geschwindigkeiten in Medien sein? Was ist für die Ausbreitungsgeschwindigkeit auf dem Weg elektromagnetischer Wellen entscheidend? Die Wellenlänge. Gut. Verfolgen wir eine Welle bestimmter Frequenz aus dem Vakuum in Luft. Ihre Geschwindigkeit wird kaum merklich langsamer. Die Wellenlänge l wird um eine Winzigkeit gestaucht. Was ist in Luft anders als im Vakuum? Der betrachtete Strahl tauche weiter ein in Alkohol, in Wasser, in Glas, in klare Plaste, in durchsichtige Mineralien. Besonders stark wird die Geschwindigkeit durch Verkürzung der Wellenlänge lrel in Diamant und in Rutil vermindert, natürlich für jede Frequenz etwas anders (Dispersion). Bis hierher trug ich Fakten zusammen.
Was ist in optischen Medien anders als im Vakuum? Was ist im Hintergrund verantwortlich? Welche Eigenschaft des Vakuums und der optischen Medien hat Einfluss auf diesen Effekt der Stauchung oder Streckung der Wellenlänge lrel?
These: Die in der unmittelbaren Umgebung des Strahles herrschende Feldstärke hat Einfluss auf den Effekt der Stauchung oder Streckung der Wellenlänge lrel.
Die Feldstärke im Vakuum ist viel geringer als in optischen Medien. Sie richtet sich nach den speziellen Eigenschaften des Vakuums bzw. nach den speziellen stofflichen Eigenschaften des optischen Mediums; besser formuliert: nach den Eigenschaften der unmittelbaren räumlichen Umgebung des Strahles, und das in der filigransten Auflösung, die man sich denken kann. Bei summarischer Analyse grösserer Raumgebiete richtet sie sich nach dem durchschnittlichen Wert. Je höher die Feldstärke, desto komprimierter der elektro- magnetische Strahl und umgekehrt. Damit ergibt sich eine einleuchtende Erklärung für viele bekannte Phänomene. Das postulierte Gesetz der Abhängigkeit der Geschwindigkeit elektromagnetischer Wellen von der im jeweiligen Raum herrschenden Feldstärke sollte durch Experimente geprüft werden, und wenn es sich bestätigt, dann wäre die Vakuumlichtgeschwindigkeit c0 keine obere Grenzgeschwindigkeit cmax. Dann ist die Gültigkeit von c0 auf den erdnahen Raum beschränkt. Schon für grosse Sonnenferne könnte sich eine geringfügige Abweichung zeigen. Ich kann das nicht prüfen. Aber ich kann Neugier wecken und Experimentatoren aufrufen. Die Möglichkeiten dafür sind heute vielfältiger als in früherer Zeit. Um die Neugier zu beflügeln, verweise ich auf die allererste Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit, nachdem Galileo Galilei gescheitert war. Ole Rømer ermittelte die Lichtgeschwindigkeit an den Jupitermonden etwas höher als unsere Standard-Lichtgeschwindigkeit c0. War es ein verzeihlicher Messfehler oder hat Rømer wegen der grossen Entfernung von der Erde, die in die Rechnung eingeht, vielleicht richtig nicht ganz falsch gelegen?
Wenn die Feldstärke im Vakuum des Weltraumes von der Menge körperlicher Materie in der räumlichen Umgebung abhängt, dann könnte sie einerseits fern von Masseanhäufungen geringer und andererseits näher an Masseanhäufungen höher und im Innern kosmischer Gebilde mit extremer Dichte maximal sein. Die Lichtgeschwindigkeit stiege dann mit wachsendem Abstand von Galaxien an (Vergrösserung der Wellenlänge l rel) und fiele im Innern kosmischer Objekte höchster Dichte ab (Verminderung der Wellenlänge l rel). Daraus ergeben sich für die Betrachtung kosmischer Ereignisse und für Weltmodelle neue überraschende Konsequenzen. Aber auch pragmatische Schlüsse sind möglich. Man könnte nach Stoffen suchen, die einen bedeutend höheren Brechungsindex haben als Diamant und Rutil. Man könnte den Brechungsindex messen, während der Druck in Gasen zunimmt. Man könnte - obwohl Wasser als inkompressibel gilt - die Lichtbrechung in Wasser der Tiefsee mit derjenigen in Wasser nahe der Oberfläche vergleichen. In solche Gedanken reiht sich auch das Fermatsche Prinzip ein, das für die Lichtbrechung in Luft mit abnehmender Höhe über der Erdoberfläche einen Anstieg des Brechungsindex aussagt. Strahlen werden zur Erdoberfläche hin gekrümmt.**
Diese Überlegungen haben aber auch unbekannte Konsequenzen in unserer unmittelbaren Umgebung, wenn man sich klar macht, dass innerhalb der Feinststruktur aller Gase, Flüssigkeiten und festen Stoffe gravierende örtliche Feldstärkeunterschiede herrschen müssen. Diesen Umstand hatte sich Max von Laue bei seinen Experimenten der Beugung von Röntgenstrahlen in Kristallgittern zu Nutze gemacht. Deshalb lenke ich die Aufmerksamkeit auf die Feinststruktur der Materie im Innern von Teilchen und mit ihrer unüberblickbaren Vielfalt sowie ihrer ununterbrochenen Dynamik in Kern und Hülle. Schon im Hüllenbereich und noch mehr im Kernbereich wächst die Feldstärke extrem an. Das bedeutet unter den oben dargelegten Gesichtspunkten eine weitere Stauchung der Wellenlänge lrel im Innern der Atome und in Kernnähe. Wellenlänge lrel und damit die Lichtgeschwindigkeit crel sinken dort weiter. Man denke an die Angaben über das Innere von Teilchen, deren Feldstärke im Vergleich zu makroskopischen Feldern
»1040 mal grösser ist. Hier eröffnet sich ein weites Feld für Experimentatoren. Mich würden Experimente mit Medien reizen, deren durchschnittliche Feldstärke sich variieren lässt, während elektromagnetische Strahlung hindurchgeleitet wird.

 

*) Boris Grigorjevič Kuznecov über Albert Einstein in: Leben - Tod - UnsterblichkeitAkademie-Verlag Berlin 1979, Seite 299

**) Erwin Schrödinger:  “Und wenn die Unterschiede in der Fortpflanzungsgeschwindigkeit auch nur äusserst gering sind, so fordert doch das Fermatsche Prinzip ..., dass der Lichtstrahl sich erdwärts krümmt

FermatschesPrinzipOpt
[Standardmodell] [Universalität] [Kritik] [Dispute] [Unschärfe] [Konstanten variabel?] [Freiburg 08] [Einführung] [Universaltheorie] [Was ist Licht?] [Relativitätsprinzip] [Kontakt] [Unbenannt28]