Blog – Jocelyne Lopez

Stellen wir uns einen ganz gewöhnlichen Gartenzaun vor. Naja, nicht ganz gewöhnlich. Er soll unendlich lang sein, doch wem das zu lang ist, der kann ihn in Gedanken einfach nur „beliebig lang“ machen. In der Praxis macht das keinen Unterschied. Seine Latten sollen 10 cm breit sein, die Zwischenräume etwas größer, sagen wir 15 cm. Nun besorgen wir uns noch eine Kugel von 10 cm Durchmesser. Sie passt also gut durch die Zwischenräume. Und wenn wir uns vor den Zaun stellen, können wir ohne Probleme die Kugel durch irgendeinen Zwischenraum auf die andere Seite des Zauns werfen.

Entlang dem Zaun, ziemlich dicht an ihm dran, verlaufen Gleise, die so lang sind wie der Zaun. Auf ihnen verkehrt der Einstein-Express, ein Zug der besonderen Art. Er wurde von Albert Einstein zur Illustration seiner Ideen erdacht. Das Besondere an ihm: Er kommt in seiner Geschwindigkeit nahe an die des Lichts heran. Das sieht so aus:

Der Einstein-Zug: Wie man sieht, passt die Kugel genau durch den Zwischenraum.

Wir steigen in den Zug und fahren langsam los. Immer noch können wir unsere Kugel problemlos durch die Lücken des Zauns werfen; wir müssen nur den Ablenkwinkel durch die Eigengeschwindigkeit berücksichtigen. Der aber wird, wie es so schön heißt, „vernachlässigbar klein„, wenn wir den Zug sehr nahe am Zaun vorbeifahren lassen.

Und jetzt geben wir Gas und beschleunigen auf eine Geschwindigkeit, die der Lichtgeschwindigkeit nahe kommt. Und siehe da: nun können wir die Kugel nicht mehr auf die andere Seite des Zaunes werfen, denn gemäß der Längenkontraktion der Speziellen Relativitätstheorie zieht sich der Zaun – und damit auch sein Zwischenraum – zusammen: Die Kugel passt nicht mehr durch.

Das ist an sich noch nicht verwunderlich, denn wir können nicht erwarten, dass unter extremen Verhältnissen die gleichen Bedingungen herrschen wie im Alltag. Doch jetzt machen wir etwas ganz Einfaches: Wir wechseln den Standpunkt. Statt mitzufahren hocken wir jetzt hinter dem Zaun und drücken dem Schaffner des Einstein-Zuges die Kugel in die Hand, mit der Auflage, sie bei hoher Geschwindigkeit durch den Zaun zu werfen. Und das geht ohne weiteres: Denn nach dem Einsteinschen Relativitätsprinzip erleben wir hinter dem Zaun das gleiche wie vorhin im Zug: Der Zug und alles, was in ihm mitfährt, schrumpft in Längsrichtung zusammen. Die Kugel wird also dünner und passt nun problemlos durch die Lücken des Zauns.

Der Einstein-Zug  bei hoher Geschwindigkeit, vom Zaun aus gesehen, also vom ruhenden Betrachter. Durch die Längen-Kontraktion erscheint der vorbei flitzende Zug gestaucht, und die Kugel passt weiterhin gut durch den Zaun
(relativistische Effekte in rot)

Der Einstein-Zug  bei hoher Geschwindigkeit, vom Zug aus gesehen. Durch die Längen-Kontraktion erscheint der vorbei flitzende Zaun gestaucht – die Kugel passt nicht mehr durch, obwohl sich an der physikalischen Situation nichts geändert hat! Dennoch ermöglicht der Wechsel des Betrachters, was vorher unmöglich war
(relativistische Effekte in rot).

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Was ist da geschehen? Das Wechseln des Standpunkts macht etwas möglich, was vorher unmöglich war. Aber, ist das Ganze vielleicht nur Illusion? Dann muss auch, aus Symmetriegründen, das Zwillingsparadoxon Illusion sein, und wir brauchen uns um beides keine Gedanken machen. Mit anderen Worten: Wären die Effekte nur scheinbar, wäre auch die Relativitätstheorie überflüssig, denn Physik beschäftigt sich mit Sein, nicht mit Schein.

Dazu kommt, dass es bis jetzt kein einziges Experiment gibt, welches die Längen-kontraktion beweist, nicht einmal ein Gedankenexperiment – wohl aber eines, das sie widerlegt. Doch das nur nebenbei.

Um das Wunderbare – oder Absurde – der Situation ganz deutlich zu machen, stellen Sie sich folgendes vor: Sie hocken ganz friedlich am Tresen Ihrer Lieblingsbar, und plötzlich kommt so ein Kerl daher und macht Stunk. Er provoziert Sie, wie auch immer. Doch Sie lassen sich nicht einschüchtern und behaupten kühn, Sie könnten ihn mit dem kleinen Finger Ihrer linken Hand in die Luft heben. Er lacht sich kaputt, aber Sie sagen, Sie müssten nur „den Standpunkt wechseln„. Sie gehen also ein halbes Mal um ihn herum, setzen sich noch eine Brille auf (möglichst eine in rosa) – und schwupp, schon ist der Kerl so leicht, dass Sie ihn ohne weiteres mit dem kleinen Finger hochheben können.

Ein Wunder? In der Tat! Warum nur hat Einstein seinem Fantasiegebilde einen so langweiligen Namen gegeben und dieses nicht einfach „Physik der Wunder“ getauft?

(Peter Ripota)

Ich erhielt im Zusammenhang mit dem Austausch mit Herrn Dr. Markus Poessel vom 28.09.08 folgende E-Mail-Antwort:

Von Markus Pössel
An Jocelyne Lopez
Datum: 05.10.08
Betr: Frage zur Speziellen Relativitätstheorie

Sehr geehrte Frau Lopez,

ich habe im Hauptteil meiner letzten Mail aufbauend auf den Laengenmessverfahren, auf die wir uns in vorangehenden Mails geeinigt hatten, Schritt fuer Schritt dargelegt, warum die Relativitaet von Laenge ebenso wenig widerspruechlich ist wie die Relativitaet von Geschwindigkeiten, und welche Schluesselrolle die Relativitaet der Gleichzeitigkeit dabei spielt.

In Ihrer Antwort zitieren Sie einen Teil meiner Mail und schreiben dann sinngemaess, das haetten Sie ja alles schon lange gewusst.

Aber unmittelbar danach stellen Sie eine Frage, die direkt auf einer der Fehlvorstellungen aufbaut, mit denen in meiner Mail aufgeraeumt wurde. Und dann folgen weitere Ausfuehrungen, die schlicht ignorieren, was ich in einiger Ausfuehrlichkeit ueber die Rolle der Gleichzeitigkeit bei der Laengenkontraktion gesagt hatte.

Da bin ich natuerlich baff und frage mich, was da gelaufen ist.

Ich gehe einmal davon aus: Wenn Sie das, was ich in meiner letzten Mail schrieb, gelesen und nicht verstanden haetten, haetten Sie mir mitgeteilt, wo es Verstaendnisprobleme gab. Wenn Sie es gelesen und verstanden, aber ein Glied meiner Argumentationskette fuer falsch befunden haetten, haetten Sie auf eben diesen Umstand hingewiesen. Und wenn Sie es gelesen, verstanden und fuer richtig befunden haetten, haetten Sie im Anschluss daran schwerlich auf die Fehlvorstellungen zurueckgegriffen, mit denen dort aufgeraeumt wird.

Die wohlwollendste Deutung, die mir einfaellt, ist, dass Sie meine Mail nur recht fluechtig gelesen und dann faelschlich geschlossen haben, was ich da schrieb sei Ihnen bereits bekannt.  Aber auch das ist fuer mich natuerlich aergerlich. Selbst wenn sich unsere Diskussion nur um die einfachsten Grundlagen der Speziellen Relativitaetstheorie dreht: ein bisschen Zeit muss ich in das Schreiben meiner Antwortmails natuerlich trotzdem investieren. Dann so klar vor Augen gefuehrt zu bekommen, dass meine Antwort noch nicht einmal richtig gelesen wird, finde ich sehr frustrierend.

Ich bin gerne bereit, die Diskussion fortzufuehren, aber nur, wenn ich hinreichend sicher sein kann, dass meine Ausfuehrungen nicht ins Leere laufen. Insbesondere wuesste ich gerne, ob wir uns auf das einigen koennen, was ich in meiner letzten Mail schrieb (Ihre Behauptung der Widerspruechlichkeit unterschiedlicher Messergebnisse fuer die Laenge waere damit ausgeraeumt). Wenn nicht, dann wuesste ich gerne, welchen Schritt meiner Argumentationskette Sie anfechten.

Mit den besten Gruessen,
Markus Poessel

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Hierzu meine Antwort vom 07.10.08:

Von Jocelyne Lopez
An Markus Pössel
Datum: 07.10.08
Unser Austausch vom 28.09.08

Sehr geehrter Herr Dr. Pössel,

Vielen Dank für Ihre E-Mail vom 5.10.08.
Sie schreiben:

ich habe im Hauptteil meiner letzten Mail aufbauend auf den Laengenmessverfahren, auf die wir uns in vorangehenden Mails geeinigt hatten, Schritt fuer Schritt dargelegt, warum die Relativitaet von Laenge ebenso wenig widerspruechlich ist wie die Relativitaet von Geschwindigkeiten, und welche Schluesselrolle die Relativitaet der Gleichzeitigkeit dabei spielt.

In Ihrer Antwort zitieren Sie einen Teil meiner Mail und schreiben dann sinngemaess, das haetten Sie ja alles schon lange gewusst.

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Es liegt hier ein Missverständnis vor und ich muß um Entschuldigung bitten, wenn ich mich unklar ausgedrückt habe. Ich wollte damit ausdrücken, dass ich schon lange weiß, welche Aussagen die Spezielle Relativitätstheorie trifft (ich hinterfrage nämlich diese Theorie sehr gründlich und sehr intensiv seit mehreren Jahren), jedoch dass ich manche Kernaussagen weiterhin nicht nachvollziehen kann. Wie zum Beispiel eben die relativistische Längenkontraktion, die wir hier speziell behandeln. Ich weiß auch aus Erfahrung durch meine jahrelange Hinterfragung, dass zahlreiche andere naturwissenschaftlich interessierte Laien ganz genau dieselben Verständnisprobleme wie ich dabei haben. Ich schlage also vor, um Missstimmung Ihrerseits auszuschließen und vorzubeugen, dass Sie sich auf das Problem der Längenkontraktion konzentrieren und auf die Fragen, wofür ich hier gezielt bei dieser Thematik um Beantwortung bitte, ohne dabei die ganze klassische Physik oder die ganze Spezielle Relativitätstheorie aufzurollen.

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Sie schreiben:

Die wohlwollendste Deutung, die mir einfaellt, ist, dass Sie meine Mail nur recht fluechtig gelesen und dann faelschlich geschlossen haben, was ich da schrieb sei Ihnen bereits bekannt.  Aber auch das ist fuer mich natuerlich aergerlich. Selbst wenn sich unsere Diskussion nur um die einfachsten Grundlagen der Speziellen Relativitaetstheorie dreht: ein bisschen Zeit muss ich in das Schreiben meiner Antwortmails natuerlich trotzdem investieren. Dann so klar vor Augen gefuehrt zu bekommen, dass meine Antwort noch nicht einmal richtig gelesen wird, finde ich sehr frustrierend.

Ich bin gerne bereit, die Diskussion fortzufuehren, aber nur, wenn ich hinreichend sicher sein kann, dass meine Ausfuehrungen nicht ins Leere laufen.

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Sie liegen bei dieser Deutung, dass ich Ihre Mails nur flüchtig lese völlig falsch. Ganz im Gegenteil, ich lese sie sehr gründlich. Leider habe ich aber noch nicht die Beantwortung aller Fragen darin gefunden, die mich beschäftigen und deren Klärung mich jedoch entscheidend bei meinen Verständnisproblemen weiterbringen würde. Kommunikation ist ein schwieriges Unterfangen, nicht nur zwischen uns beiden, das sollte uns vielleicht ein kleiner Trost sein. Ich habe mich deshalb auch immer bemüht, um Ihre Zeit und Ihre didaktischen Bemühungen zu schonen, ganz konkrete und ganz gezielte Fragen zu stellen, sowie sie mit ganz konkreten Beispielen zu veranschaulichen.

Dass Ihre Antworten ins Leere gegangen seien, darf ich entschieden widersprechen: Sie haben schon in dieser Korrespondenz dankenswerterweise zwei wichtige punktuelle Klärungen für mich gebracht, die in meiner jahrelangen Hinterfragung in Foren nie geklärt bzw. widersprüchlich dargelegt wurden, zum Beispiel:

1) Dass die Längenkontraktion kein materieller Effekt ist: Die materielle Länge eines Objekts bleibt bei der Messung unberührt, auch bei der Messung nach der Meßvorschrift der SRT. Diese Klärung von Ihnen ist extrem wichtig gewesen, da ich wie gesagt immer wieder zu widersprüchlichen oder gegenteiligen Auffassungen und Vorstellungen jahrelang gestoßen bin (materielle Verkürzung des Objekts, optische Täuschung).
– Ihre E-Mail vom 17.08.08  : „Die Laengenkontraktion geht nicht mit materiellen Veraenderungen des Koerpers einher;“
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2) Dass die Länge eines Objektes, die man im Ruhezustand misst, nicht die exakteste Länge des Objekts ist, sondern nur eine gute Näherung in der Praxis, dafür die Länge, die man bei Bewegungszustand misst die exakteste Länge des Objekts ist. Auch dies war für mich eine extrem wichtige Klärung: Man trifft zum Beispiel in Foren auf genau die gegenteilige Auffassung – auch von ausgebildeten Physikern – nämlich, dass die Ruhelänge eines Objektes als seine exaktstete materielle Länge in der Physik anzusehen sei.
– Ihre E-Mail vom 28.09.08 : „P.S.: Ich stimme der Aussage zu, dass die klassische Geschwindigkeitsaddition falsch, aber in der Praxis (naemlich bei den im Alltag ueblichen Geschwindigkeiten, die im Vergleich zur Lichtgeschwindigkeit sehr klein sind) eine gute Naeherung ist, wenn es gilt, aus in einem Bezugssystem A gemessenen Geschwindigkeiten auf in einem relativ zu A bewegten Bezugssystem B gemessene Geschwindigkeiten zu schliessen.

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Unser bisheriger Austausch war also aus meiner Sicht durchaus konstruktiv und weiterbringend, und dafür bedanke ich mich recht herzlich.

Aus diesen beiden schon geklärten Punkten ergeben sich jedoch weitere Fragen, die noch offen sind, und um deren gezielte Beantwortung ich jetzt wiederum bitte:

1) Ich habe gefragt (mit willkürlichen Zahlenbeispielen, nur zur Veranschaulichung):

– wenn ich ruhend einen Gegenstand mit 10 cm messe (also mit einer Relativgeschwindigkeit 0 zum Gegenstand)

und

– beim Laufen denselben Gegenstand mit 9,9999 cm messe (also mit einer Relativgeschwindigkeit größer als 0 zum Gegenstand)

welche ist dann die exakteste materielle Länge dieses Gegenstandes: 10 cm oder 9,9999 cm?

Sie bestätigten mir in Ihrer E-Mail vom 28.09.08, dass die klassische Geschwindigkeitsaddition falsch ist (wobei sie in unserer Alltagsdimension eine gute Näherung sei), also dass die relativistische Geschwindigkeitsaddition als exakt anzusehen ist. Halten wir also fest, dass die exakteste materielle Länge dieses Gegenstandes nicht 10 cm ist, wie ich sie ruhend gemessen habe, sondern 9,9999 cm, wie ich sie beim Laufen gemessen habe.

Jetzt messe ich ein drittes Mal und erhöhe mein Tempo beim Messen dieses Gegenstandes. Ich erhalte mit der richtigen relativistischen Geschwindigkeitsaddition unter Berücksichtung meiner höheren Relativgeschwindigkeit zum Gegenstand ein Messergebnis für die materielle Länge dieses Gegenstandes von 8,6342 cm.

Jetzt meine Frage, wobei wir schon geklärt haben, dass die (unbekannte) materielle Länge dieses Gegenstandes bei den Messungen sich nicht geändert hat:

Welche ist nun die exakteste materielle Länge dieses Gegenstandes: 9,9999 cm oder 8,6342 cm?

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2) Da die materielle Länge eines Gegenstandes sich bei der Messung nicht ändert, jedoch verschiedene Messergebnisse bei verschiedenen Messungen ausfallen, muß man davon ausgehen, dass sich der Maßstab bei den Messungen geändert hat. Eine andere Möglichkeit gibt es nicht für diesen Meßeffekt. Das sagte auch ein überzeugter Kenner der Speziellen Relativitätstheorie in Foren aus, wie ich es in meiner vorherigen Mail wiedergegeben habe: „In der Relativitätstheorie sind Maßstäbe eben nicht invariant, sondern abhängig vom Beobachter. Das nennt man Längenkontraktion„.

Bestätigen Sie diese Aussage, dass in der Relativitätstheorie die Maßstäbe nicht invariant sind, sondern abhängig vom Beobachter? Können Sie bitte diese punktuelle Frage gezielt beantworten?

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Mit freundlichen Grüßen
Jocelyne Lopez

Im Zusammenhang mit meinem Eintrag Zwillingsparadoxon: Nur lachhaftes Hirngespenst möchte ich ein anderes Problem mit dem Zwillingsparadoxon darlegen, das sich mit der Messung mit zwei Uhren unter Berücksichtigung des Postulats der relativen Gleichzeitigkeit ergibt:

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1) Nach der Speziellen Relativitätstheorie hat allein der reisende Zwilling die „Folgeschäden“ der Relativbewegung zu tragen, warum auch immer und wie auch immer diese Wirkungen entstehen können: Er trifft seinen auf der Erde zurückgebliebenen Bruder sowohl „verjüngt“ als auch „verkürzt“ wieder. Das ist schon ein schweres Schicksal, vor allem mit der Verkürzung…

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2) Man muß jedoch bedenken, dass ein physikalisches Zusammentreffen ausgerechnet ein Ereignis der absoluten Gleichzeitigkeit ist: Um sich physisch wieder zusammen zu treffen müssen die Zwillinge genau zur gleichen Zeit genau am selben Ort sich am Ende der Strecke befinden: Am Ort des materiellen Körperkontakts. Das wird ja mit der Messung mit einer Uhr gewährleistet: Vor der Trennung stoppen die beiden gemeinsam die Uhr, bei dem Zusammentreffen stoppen die beiden gemeinsam die Uhr. Die absolute Gleichzeitigkeit des Zusammentreffens, die für das Geschehen dieses physikalischen Ereignisses zwingend notwendig ist, ist also gegeben.

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3) Nach der Speziellen Relativitätstheorie jedoch befindet sich der zurückkehrende Zwilling nicht am selben Ort und zur gleichen Zeit als sein Bruder am Ende der Strecke wieder: er ist später da (wegen Zeitdilatation), dafür räumlich ein Stück vor (wegen Längenkontraktion). Damit das Ereignis des Zusammentreffens stattfinden kann muss also die genaue Übereinstimmung der jeweiligen Zeit- und Raumkoordinaten der beiden Zwillinge wiedererstellt werden. Dies ist jedoch in der Speziellen Relativitätstheorie nicht vorgesehen: Die Längenkontraktion des zurückkehrenden Zwillings ist irreversibel: So viel ich weiß ist die Verkürzung irreparabel, er ist und bleibt verkürzt bis in aller Ewigkeit (ich habe zumindest nie von einer „Längendilatation“ nach einer Längenkontraktion etwas gehört), genauso wenig wie eine Erstellung der absoluten Gleichzeitigkeit vorgesehen ist (sie existiert in der Speziellen Relativitätstheorie prinzipiell nicht).

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Diese Zwillinge sind wirklich zu bedauern und vom Pech verfolgt: Nicht nur, dass der Eine irreparabel geschrumpft zurückkommt, sie werden sich auch nie wieder umarmen können.  Ein schweres Schicksal, wie in manchen magischen und esoterischen Erzählungen.

Kann die klassische Physik sie von diesem grausamen Fluch befreien?

(Jocelyne Lopez)