Jan Peter Apel

7.12.2011

Inertialsysteme

Was ist ein Inertialsystem? Das Doppelwort selbst gibt keinen vernünftigen Hinweis darauf. Erklärungen beziehen sich auf die lateinische Bedeutung von inert gleich träge, schlapp (Brockhaus 1960). Für die Physik wird die Bedeutung träge im Sinne der Massenträgheit benutzt. Dieses "träge" wird Objekten bzw. Objektgruppen zugeordnet, die kräftefrei ihrer Massenträgheit folgen. Kräftefrei sind Materieobjekte aber nur, wenn sie sich im freien Fall befinden. In Abwesenheit von Gravitation im freien Weltraum werden Inertialsysteme als sich gleichförmig bewegende Objekte bezeichnet. Für einen normal denkenden Menschen ist das aber noch nichts, was er gedanklich verwerten oder einordnen oder als gar rationalen Teil der Welt ansehen kann. Ob selbst Akademiker in allen Fällen immer wissen, was ein Inertialsystem darstellt ist zuweilen zu hinterfragen, da der Begriff in der Lehre rein plakativ angewandt wird: er wird kurz bekannt gemacht und schon "geht´s los", mit rechnen.

Es ist also notwendig, das Handfeste des Begriffes Inertialsystem heraus zu arbeiten. Man betrachte einen Raddampfer. Er bewege sich in horizontaler Richtung gleichmäßig schnell und geradeaus, womit er in dieser Richtung ein Inertialsystem darstellt. In seinem Inneren ist eine Dampfmaschine. Deren Zylinder liegen waagerecht, so daß die Kolben waagerecht in Fahrtrichtung vor und zurück laufen. Vom festen Ufer aus gesehen laufen die Kolben aber nicht vor und zurück, sondern nur etwas schneller und etwas langsamer als das Schiff. Im Schiff würde man aber sehen, daß sie doch vor und zurück gehen. Um den Dampfmotor richtig konstruieren zu können, muß man wissen, wie schnell sich die Kolben im Zylinder bewegen und der Dampf nach- und ausströmen muß. Das kann man naturgemäß nicht aus der Sicht vom festen Ufer aus, sondern man muß sich auf das Boot in den Maschinenraum begeben. Dort tut man so, als ob dieser nun der "feste Boden" sei, obwohl sich das ganze Boot ja bewegt. Der Bezugs- oder Denkpunkt wird also von der festen Erdoberfläche auf das sich gleichmäßig bewegende Boot verlegt. Das ganze Boot mit seinem Inventar und Fahrgästen und dem Motor stellen ein Inertialsystem dar. Ein anderes Inertialsystem ist ein Raumschiff. Bei ihm wird folgendes deutlich: ohne Sicht nach außen kann im Inneren nicht festgestellt werden, ob es sich bewegt oder nicht. Auch in einem Boot könnte ohne Sicht zum Ufer und ohne Fahrgeräusche nicht festgestellt werden, ob es sich bewegt oder nicht. Das gilt aber nur nach heutigem Lehr-Wissensstand der Physik, wonach ein Inertialsystem ein sich kräftefrei bewegendes "Ding" ist.

Das "Ding" Inertialsystem kann ein einzelnes Objekt oder eine Objektgruppe im freien Raum sein. Auf der Erde jedoch nur in horizontaler Richtung, eine rollende Kugel als Einzelobjekt und ein Eisenbahnzug, ein Schiff auf dem Wasser, ein Auto, ein Fahrrad mit Fahrer und ein Flugzeug als Objektgruppen. Inertialsysteme unterschieden sich durch ihre Bewegungsgeschwindigkeiten. Da Einstein keinen absoluten Bezugspunkt fand, bestünde der ganze Kosmos aus Inertialsystemen, die sich nur durch ihre relativen Bewegungen zueinander unterscheiden. Die Lehre sagt das so: "Es gibt kein ausgezeichnetes Inertialsystem, alle sind gleichwertig". Was innerhalb eines Inertialsystems geschieht, wird auf das Koordinatensystem des Inertialsystems bezogen.

Die schulische Definition eines Inertialsystems lautet: Inertialsysteme bewegen sich geradeaus und gleichförmig gegenüber dem Fixsternhimmel. Alle sich beschleunigenden und/oder drehenden Systeme sind danach keine Inertialsysteme. Was aber bringt es, Inertialsysteme so zu definieren? Nichts! Ein Motor z. B. in einem Schiff oder Flugzeug wird so betrachtet, als ob er hier auf festen Boden stünde. Für alles, was in ihm berechnet wird, ist es gleich, ob er hier steht oder sich mit einem Inertialsystem mit bewegt. Es ist auch schulisch festgestellt, daß alle Formeln in allen Inertialsystem gültig bleiben, egal, wie schnell sie sich bewegen. Die Unterscheidung in still stehend oder bewegt oder wie schnell bewegt ist also unnütz. Deshalb ist der Begriff Inertialsystem auch weitab jeglicher Lebenserfahrung, er ist in dieser Bedeutung rein akademisch und deswegen auch allgemein unbekannt.

Welche Objekte können ein Inertialsystem bilden? Alle! Kleinste Teilchen wie z. B. das Myon und sogar noch kleinere wie etwa Elektronen. Nicht aber z. B. Photonen und Neutrinos, da in ihnen keine Zeitdilatation stattfindet. Warum Zeitdilatation von Bedeutung ist folgt anschließend. Als größte Objekte gelten Himmelskörper wie z. B. unsere Erde. Alles auf ihrer Oberfläche sich horizontal Bewegende stellt ein Inertialsystem dar (wie z. B. der zuvor verwendete Raddampfer), obwohl es quer dazu in vertikaler Richtung einer beschleunigung unterliegt, der Gravitationsbeschleunigung. Daß solche Bereich als Inertialsystem gelten können wird dadurch gestützt, daß die Galilei-Transformation auch in Bereichen konstanter Beschleunigung gilt, was sogar schon länger bekannt ist. Die Galileitransformation stellt ja die Umrechnung von einem in ein anderes Inertialsystem dar. Die Schullehre sagt dagegen pauschal, daß die Erdoberfläche kein Inertialsystem sei. Konstante Beschleunigung liegt auf Himmelskörpern wie der Erde allerdings nur in kleinem Höhenbereich vor, da die Gravitationsbeschleunigung quadratisch mit der Höhe abnimmt.
Wie die Lehre weiter darlegt, gelten in allen Inertialsystemen alle Formeln der Physik unverändert, d. h. ohne jegliche Korrekturen. Das stimmt jedoch nur dann, wenn in den Inertialsystemen die Zeit verwendet wird, die in ihnen wirklich abläuft! Und die wird von der Zeitdilatation bestimmt, die sich aus der Geschwindigkeit der Inertialsysteme ergibt. Wird mit einer fremden Uhr, z. B. von der Erde aus mit ihrer Uhr in das Inertialsystem eines Raumschiffes hinein geschaut, so müssen die Beobachtungen mit der relativistischen Korrektur versehen werden, wobei diese nach mathematischen Regeln sogar beliebig der Zeit, der Masse oder der Länge zugeordnet werden können. Physikalisch gibt es und kann es aber nur eine einzige Zugehörigkeit geben und die ist die zur Zeit. Längenkontraktion wie Massenvermehrung sind rein mathematisch, also physikalisch falsche Interpretationen, damit nur fiktiv, nicht real. Einzig die Zeitdilatation stellt den Unterschied zwischen Inertialsystemen! Zum Beispiel: der Nachfahre eines Raumfahrers, der nicht mehr wissen möge, daß er sich in einem schnell fahrenden Raumschiff ohne Fenster befindet, rechnet in seinem Raumschiff, also in seinem Inertialsystem, mit den Formeln wie hier auf der Erde. Die Ergebnisse stimmen genau so wie hier auch. Für ihn sind keinerlei Korrekturen notwendig. Könnten wir von der Erde aber in dieses Raumschiff hinein schauen, so würden wir sehen, daß alle Vorgänge in ihm viel langsamer ablaufen als hier auf der Erde. Durch die Zeitdilatation im Raumschiff läuft die Zeit im Inertialsystem Raumschiff langsamer ab.

Damit ist schon eine Unterscheidung angesprochen, die Inertialsysteme voneinander unterscheiden, die Zeitabläufe oder Zeitgänge in ihnen. Das führt zum Einen dazu, daß es doch ein bevorzugtes Inertialsystem gibt, nämlich das mit der Zeitdilatation null. Es gibt sogar zwei: nämlich noch das mit dem Zeitgang null, also Stillstand, der sich bei Lichtgeschwindigkeit einstellt. Das führt nun dazu, daß Inertialsysteme wirkliche physikalisch konkrete Dinge sind. Sie sind Zeit-Inseln, in denen zwar die Geschehnisse genau so ablaufen, wie wir sie kennen und von der Newton´schen Physik beschrieben werden. Aber die Ablaufgeschwindigkeiten sind anders. Sie gehen bei Lichtgeschwindigkeit bis zu null, d. h. bis zum Stillstand.
In Inertialsystemen sind zwei konkrete und voneinander unabhängige physikalische Größen meßbar, die von deren Geschwindigkeiten abhängen. Die erste Größe ist die mechanische Verlängerung elektromagnetischer Wellen und die zweite ist die Aberration von Lichtstrahlen. Die Geschwindigkeiten von Inertialsystemen sind also damit in ihren Inneren ohne Sicht nach außen meßbar. Und diese Geschwindigkeiten sind sogar absolute! Einstein postulierte zwar, daß es solche nicht gäbe, aber die Geschwindigkeit eines Inertialsystems ohne Zeitdilatation ist der Bezugspunkt für Bewegungen, womit sich absolute Geschwindigkeiten exakt definieren.
Aus der Zeitdilatation auf Grund der Geschwindigkeiten der Inertialsysteme ergibt sich:
die Anzahl der Schwingungswellen eines Lichts auf der Länge eines festen Maßstabes verringern sich, weil die Lichtquelle ihre Frequenz auf Grund der Zeitdilatation verringert. Dagegen sind die Geschwindigkeit des Lichts und die mechanische Länge des Maßstabes konstant. In Bewegungsrichtung eines Inertialsystems ergeben sich allerdings ebenfalls Frequenzverschiebungen, die aus der Messung heraus genommen werden müssen. Sie können für sich zur Geschwindigkeitsermittlung heran gezogen werden.
Da sich Lichtstrahlen in einem nicht mit dem Inertialsystem mitgehenden Medium (siehe in "Animation Zeitdilatation" und "Animation Aberration") ausbreiten, entsteht in bewegten Inertialsystemen Aberration. Sie läßt sich feststellen, indem ein im Inneren des Raumschiffes erzeugter Lichtstrahl quer zur Bewegungsrichtung des Raumschiffs auf Abweichung von der Geraden detektiert wird. Da im Inneren des Raumschiffs nicht bekannt ist, in welcher Richtung es sich bewegt (wie also seine momentane Lage ist), muß in allen Richtungen detektiert werden. Die Änderungen über alle Richtungen sind entsprechend zu bewerten.
Damit ergibt sich, daß das bevorzugte Inertialsystem mit der Zeitdilatation null den Fixpunkt der Bewegungswelt darstellt, den Einstein nicht fand. Einstein nahm als Fixpunkt einen kräftefreien Körper auf einer Geodäten (ballistischen Kurve). Das führte zum Postulat einer Raum- und Zeitkrümmung, der berühmt berüchtigten Raumzeit: falsch!

Aus all dem ergibt sich die handfestkonkrete Definition für Inertialsysteme:

Inertialsysteme sind Zeitinseln der Newton´schen Physik, in denen gleiche Zeitdilatation (Aberration) vorliegt.

Die alles Bisherige in den Schatten stellende Endbedeutung der Inertialsysteme ist nun, daß sie einen Rahmen für die Newton´sche Physik darstellen. Diese Bedeutung schreibt das Weltbild neu. Newton´sche Physik ist danach die, die als einzige alle Geschehen dieser Welt bestimmt. Sie liegt aber in vielen Inertialsystemen vor, die sich dadurch unterscheiden, daß die Zeitabläufe in ihnen unterschiedlich sind. Das bedeutet aber nichts anderes, als daß die Newton´sche Physik relativistisch ist. Das heißt: Newton´sche Physik ist die Physik des Kosmoses, aber sie unterliegt der Zeitdilatation.

Einstein stellte eine andere Sicht auf die Welt dar, eine zum zuvorigen umgekehrte: das Relativistische regiere und das Newton´sche sei ihr untergeordnet. Dafür gibt es aber definitiv keine Beweise, von konkret Meßbarem ganz zu schweigen. Alles daran ist Spekulation, aber heutiger Mainstream.

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