1 Einleitung

Auf den folgenden Seiten geht es um nicht weniger, als die Grundlagen der Physik neu darzustellen, sie von einer anderen Seite als üblich zu beleuchten. Lassen Sie mich zuerst erklären, warum ich dieses Projekt in Angriff genommen habe und worin der Unterschied zu üblichen Webseiten besteht.

1.1 Warum und Worüber - die Motive

Am Anfang stand der Wille zu Verstehen, "dass ich erkenne, was die Welt im Innersten zusammenhält", wie es im berühmten Zitat aus Goethes Faust heißt. Nun wurden wir im Einsteinjahr zum hundertjährigen Jubiläum der Relativitätstheorie förmlich überflutet mit populärwissenschaftlichen Artikeln, in denen es von Paradoxien und nicht anschaulich erklärbaren Phänomenen wimmelt. Da erhebt sich die Frage: muss Physik so kompliziert dargestellt werden? Geht es nicht auch klarer und logischer? Ist die moderne Physik wirklich unlogisch und unverstehbar? Mein ceterum censeo lautet: Physik ist anschaulich erklärbar und verstehbar.

Also begann ich mit der Suche nach einem eigenen Zugang zur modernen Physik - und nach einem gedanklichen "reset" mit den Grundbegriffen anzufangen. Was ist überhaupt Physik? Die Aufgabe der Physik ist es, die physikalische Realität zu beschreiben. Wir können die Realität jedoch nicht direkt erfassen, daher entwerfen wir vereinfachende Gedankenmodelle, die die Realität möglichst genau wiederspiegeln sollen. Diese Modelle sollen sich mathematisch beschreiben lassen. So kommen wir zu einem Satz mathematischer Gleichungen, die es uns ermöglichen, technische Anwendungen zu realisieren. Wichtig ist die Reihenfolge: zuerst kommt die physikalische Erkenntnis, dann die mathematische Beschreibung. Die Mathematik ist ein unverzichtbares Hilfsmittel der Physik, aber nicht die primäre Quelle der Erkenntnis!

Eigener Zugang heißt eigener Weg, heißt anderer Weg als Einstein. Es sind zwei unterschiedliche Modelle, zwei Wege zum gleichen Ziel, nämlich die unbestritten gemessenen physikalischen Phänomene zu erklären. Einsteins Ansatz ist mathematisch - theoretisch, dem will ich einen physikalisch - praktischen Ansatz gegenüberstellen. Ich betone, dass es hier nicht um "Einstein - bashing" geht. Zu Einsteins Zeiten war der mathematische Ansatz der einzig mögliche (und es ist faszinierend, wie viel damit erreicht wurde). In den letzen hundert Jahren haben wir allerdings eine Unzahl neuer Erkenntnisse gewonnen (besonders in der Experimentalphysik!), und diese erlauben eine neue Herangehensweise.

Wenn Sie mir auf diesem Weg folgen wollen, werden Sie sehen, dass es möglich ist, die von Eistein mathematisch abgeleiteten Phänomene physikalisch zu erklären, ohne Paradoxien und ohne Widersprüche. Dies wird uns zu einigen überraschenden neuen Erkenntnissen und zu einem neuen Weltbild führen.

1.2 Gängige Modellvorstellungen

Der Mensch neigt natürlich dazu, möglichst einfache Modelle aufzustellen. Die meisten Modelle haben wir von unseren Vorfahren geerbt. Wir wollen nun etwas konkreter werden und die gängigen Modelle etwas genauer betrachten.
Die heutzutage gängigen Modellvorstellungen beruhen auf der gedanklichen Trennung von Materie, Raum und Feld. Diese künstliche Unterteilung führt zu Paradoxien und Widersprüchen, die wir nur auflösen können, wenn wir die grundlegenden Modelle neu überdenken und unseren modernen Erkenntnissen entsprechend verfeinern. Deshalb werde ich im folgenden neue Modelle einführen und die weitreichenden Folgen für unser Weltbild zeigen.

Jedes Modell muß sich auf physikalische Vorgänge beziehen. Ein physikalischer Vorgang ist immer eine Wechselwirkung zwischen mindestens zwei energetischen Entitäten (Energiepaketen, wobei wir auch materielle Objekte als Energiepakete auffassen). Dabei gilt immer das Gesetz der Energieerhaltung, das heißt, die Energie kann sich wohl in eine andere Energieform umwandeln, aber niemals einfach verschwinden.

Es gibt nebeneinander verschiedene Modelle von unterschiedlicher Komplexität, was durchaus praktikabel ist. Je mehr wir aber über einen physikalischen Vorgang herausfinden wollen, desto genauer müssen wir ihn modellieren.

In der Mechanik haben wir das einfachste Modell, das dem „gesunden Menschenverstand“ am meisten vertraut ist. Materie wird als Massepunkt oder als strukturlose homogene Masse betrachtet, die sich im leeren Raum befindet. Die Materie hat eine definierte Grenze und befindet sich innerhalb dieser Grenze, wie eine Nuß, die innerhalb ihrer Schale konzentriert ist. Außerhalb der Schale ist „Nicht-Nuß“, idealerweise Vakuum, leerer Raum. Der Raum wird über Koordinatensysteme beschrieben.

Mit diesem Modell kommt man schon recht weit: man kann Geschwindigkeiten, Beschleunigungen berechnen, Kraftgesetze, die kinetische und die potentielle Energie... allerdings kann man diese Energieformen nur berechnen, man kann nicht sagen, wo und wie sie gespeichert werden, oder was sie bedeuten. Man kann auch nicht sagen, was Masse eigentlich ist, sondern nimmt ihre Existenz einfach als gegeben an. Trotzdem hat dieses Modell seine Berechtigung im täglichen Leben, es taugt aber nicht zur Beschreibung universaler Zusammenhänge.

Problematisch wird dieses Modell, sobald man Fernwirkungen erklären will. Was bedeutet eine Wechselwirkung in einem Feld? Diese Frage hat die großen Physiker bewegt.

So stürzte die Entdeckung des Gravitationsgesetzes Newton in ein tiefes Dilemma. Er konnte zwar Planetenbahnen und Gravitationskräfte berechnen, wollte aber nicht hinnehmen, dass diese Kräfte durch das Nichts in der Ferne wirken:

Er schrieb ´... dass ein Körper über eine Distanz durch ein Vakuum hindurch auf einen anderen Körper ohne Vermittlung durch etwas Anderes einwirken kann, ist für mich eine derart große Absurdität, dass meines Erachtens kein Mensch, der philosophische Dinge kompetent bedenken kann, je auf so etwas hereinfallen könnte´

Das verwendete Gedankenmodell ist nicht mehr genau genug. Bisher wurden die wechselwirkenden physikalischen Entitäten durch Masse und Bewegung im Raum erfasst. Nun kam die Vorstellung des Feldes hinzu.

Nochmals zur Erinnerung: wir haben zwei irgendwie strukturierte Energiepakete, die miteinander wechselwirken, wobei die Gesamtenergie erhalten bleibt. Die Energiepakete modellieren wir (indem wir sie gedanklich gliedern) als Masse + Feld + Raum, um die Bewegung, die mit dem Energieaustausch verbunden ist, berechnen zu können. Unser mathematisches Instrumentarium erlaubt es uns, Masse, Feld und Raum unabhängig von einander zu behandeln. Dies kann aber zu Fehlschlüssen führen, da diese drei allesamt Aspekte des einzig existierenden, des Energiepaketes, sind. Leeren Raum ohne Felder gibt es nicht, ebensowenig Masse ohne Feld.

1.3 Der Sündenfall

Alle diese Modelle haben etwas gemeinsam, was auf den ersten Blick aber nicht auffällt, nämlich die gedankliche Trennung von Raum und Materie, und diese Trennung ist die Ursache für viele Missverständnisse und Paradoxa.

Sie zerschneiden die wechselwirkenden physikalischen Entitäten gedanklich in Teile und wenden das mathematische Instrumentarium nur auf eine Untermenge der Teile an.

Damit hat man einen leeren Raum eingeführt, der Materie mit endlicher Größe (meist idealisiert als Punktmassen) enthält. Diese wirken über Felder aufeinander ein, wobei die Felder als Eigenschaften des leeren Raums gedeutet werden. Der leere Raum wird mit Koordinatensystemen messbar gemacht, und sobald man Koordinatensysteme hat, kann man Gleichungen hinschreiben, mit denen Energie von einem in ein anderes System transformiert wird. Man will durch geeignete Koordinatensysteme sogar die Energie "wegtransformieren", und vergisst dabei, dass Koordinatensysteme "Gedankendinge" sind. Gedankendinge bestehen nur in der menschlichen Vorstellung, sie haben keine physikalische Existenz. Physik ist Wechselwirkung zwischen wie auch immer strukturierten Energiepaketen, und mit einem Gedankending im Kopf eines bewegten Beobachters kann keine physikalische Entität wechselwirken.

Dieses Materiemodell ist äußerst unzureichend. Das elektrische Feld des Elektrons z.B. ist untrennbar mit dem Elektron verbunden, es existiert zusammen mit dem Elektron von Anfang an. Es hat eine viel größere Ausdehnung als das eigentliche Elektron: es reicht bis ins Unendliche. Weil dies so ist, kann es aber keinen leeren Raum geben. Der leere Raum ist ein Gedankending, das erst durch die willkürliche Trennung von Materie und Raum eingeführt wurde. Dies hat weitreichende Folgen für alle Theorien, und daher müssen wir zurück zur Definition der Materie. Wir brauchen ein anderes, ein gesamtheitliches Modell! Und dabei müssen wir stets die Energieerhaltung und die Wechselwirkung beachten.

1.4 Weiteres Vorgehen

Ich will zuerst ganz klein anfangen und im nächsten Kapitel ein neues Materiemodell vorstellen, das die gedankliche Trennung von Raum und Materie vermeidet, und zwar am Beispiel des Elektrons. Wie Sie sehen werden, ist dies ein kleiner Schritt mit großen Folgen. Dabei stütze ich mich stark auf die Ideen von Prof. Paul Marmet, die auf seiner Website www.newtonphysics.on.ca nachzulesen sind.
Prof. Paul Marmet zeigt didaktisch gut, theoretisch untermauert und konsequent zu Ende gedacht, wie weit man mit klassischer Physik kommt, wenn man strikt die Energieerhaltung berücksichtigt und keine unzulässig vereinfachten Gedankenmodelle anwendet. Damit gelingt es ihm, wesentliche Forderungen der Relativitätstheorie klassisch abzuleiten.

Bei unseren weiteren Überlegungen werden wir unbedingt beachten:

Ich habe die Wechselwirkung an erster Stelle der Liste aufgeführt, um ihre Wichtigkeit zu betonen. Physik ist Wechselwirkung, Alles hängt mit Allem zusammen, es gibt keine isolierten Prozesse. Wenn dem nicht so wäre, dann gäbe es das Perpetuum Mobile, und die Unmöglichkeit eines Perpetuum Mobile hat sich ja wohl herumgesprochen.

Der "rote Faden", der uns durch die folgenden Kapitel führt:

Nun gilt es, ein neues logisches Gedankengebäude zu errichten, wobei wir Bausteine verwenden können, die früher noch nicht verfügbar waren. Man bedenke nur, dass z.B. der experimentelle Nachweis der Elektronen erst ein paar Jahre vor der Veröffentlichung von Einsteins Relativitätstheorie (RT) gelang! Inzwischen haben wir eine Unmenge neuer Erkenntnisse, die wir berücksichtigen müssen. Mit diesen werden wir zu einem neuen Weltbild kommen, das uns überraschende Einblicke in die Kosmologie erlaubt.

Eine technische Anmerkung: Es gibt den Lehrsatz, dass sich die Zahl der Leser mit jeder eingeblendeten Formel halbiert. Um dies zu vermeiden, will ich im Text weitergehende Informationen ein- und ausblendbar gestalten, zum Beispiel:

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