Apriorische Annahmen in der Physik

Hans-H. Ziegler

derzeitige Annahmen	Korrekturen
Die materiellen Komponenten der Wirklichkeit sind die Elementarteilchen, die dunkle Materie, die Vakuumenergie und die dunkle Energie. Mit Hilfe von Einsteins Energie-Masse Äquivalenz E = mc²werden die letzten beiden Komponenten auch als materielle Komponenten angesehen. Raum und Zeit sind ebenfalls Komponenten der Wirklichkeit, denn sie beeinflussen die Zustände der materiellen Komponenten.	Die Wirklichkeit ist vollständig definiert durch die diskrete und kontinuierliche Materie. Die Naturgesetze steuern die Wechselwirkungen der materiellen Komponenten durch Impulsaustausch. Raum und Zeit sind Vorstellungen des Menschen, um in der Wirklichkeit die Positionen der materiellen Komponenten und die Dauer ihrer Zustandsänderungen zu bestimmen.
Physikalische Gesetze sind Naturgesetze. Sie bestimmen die Zustandsänderungen in allen Teilen des Universums und zu allen Zeiten gleichermaßen. Die Interpretation der physikalischen Gesetze als Naturgesetze beruht auf der apriorischen Annahme, dass in der Wirklichkeit fundamentale Wechselwirkungskonstanten existieren, die von den lokalen Bedingungen unabhängig sind.	Nur die Naturgesetze wie „Kausalität“ und „Erhaltung der Materie“ steuern die Zustandsänderungen in der Wirklichkeit überall gleichermaßen. Sie ermöglichen so die rationale Interpretation der Wirklichkeit. Die physikalischen Gesetze, mit denen die Physik Zustandsänderungen in der Wirklichkeit bestimmt, erfordern korrekte apriorische Annahmen, korrekte Anwendung der Mathematik und Berücksichtigung der realen lokalen Bedingungen bei den Wechselwirkungen.
Auf der Erde und im Universum sind die Positionen und die Bewegungen der materiellen Komponenten mit „inerten“ Koordinatensystemen bestimmbar, die sich ohne Beschleunigung bewegen. Solche Koordinatensysteme werden für Koordinatentransformationen genutzt. Zur praktischen Bestimmung von Positionen und Bewegungen müssen die Koordinatensysteme mit beobachtbaren materiellen Objekten verbunden werden, die sich naturgemäß beschleunigt bewegen.	In der Wirklichkeit gibt es nur Punkte, in denen sich die Kräfte aufheben, die auf die Körper wirken. Raumstationen, die die Erde umkreisen, sind ein Beispiel. In ihrem Massenschwerpunkt sind Gravitationskraft und Zentrifugalkraft gleich. Wird dieser Punkt als Ursprung eines Koordinatensystems gewählt, bewegen sich außerhalb des Ursprungs alle anderen Körper beschleunigt, weil die beiden Kräfte hier unterschiedlich sind.
Im Vakuum als „leerem“ Raum ist die Lichtgeschwindigkeit c eine Naturkonstante. Bei Koordinatentransformationen gilt das für alle Koordinatensysteme, in denen die Zustandsänderungen materieller Komponenten bestimmt werden.	Mit abnehmender Dichte der raumfüllenden kontinuierlichen Materie nimmt die Lichtgeschwindigkeit c zu. Sie bezieht sich dabei auf die momentane Position der Lichtwellen in der kontinuierlichen Materie.
Im frühen Universum und in der Nähe schwarzer Löcher ist die Lichtgeschwindigkeit c dieselbe wie die auf der Erde gemessene. Das Fehlen der Strahlung in diesen Fällen ist der enormen Krümmung der „Raumzeit“ geschuldet. Die dadurch erzeugten Gravitationskräfte verhindern das Entweichen der Strahlung aus dem Innenraum der sog. „Ereignishorizonte“.	In sehr dichter kontinuierlicher Materie können Strahlungs- und Gravitationswellen weder erzeugt noch transportiert werden. Die Erzeugungs- bzw. Transportimpulse haben eine zu geringe Geschwindigkeit c. Das gilt innerhalb des Ereignishorizonts für das frühe Universum ebenso wie für die Gravitationsfelder schwarzer Löcher innerhalb dieses Horizontes.
Neben der Lichtgeschwindigkeit c existieren weitere Naturkonstanten für Wechselwirkungen, so Newtons Gravitationskonstante G, Plancks Strahlungskonstante h und die Feinstrukturkonstante α für die Atome. Die Naturkonstanten erlauben überall im Universum die Anwendung derselben physikalischen Gesetze.	Nur die spezifischen Eigenschaften der Elementarteilchen sind Naturkonstanten. Die in den physikalischen Gesetzen verwendeten Wechselwirkungskonstanten hängen wie die Lichtgeschwindigkeit von den lokalen Bedingungen ab. Die Gravitationskonstante z. B. von der veränderlichen Materiedichte in den Gravitationsfeldern.
Ein Körper der Masse m kann dank der Definition der Kraft F durch die Beschleunigung a beliebige Geschwindigkeiten v erreichen. Die dabei dem Körper zugeführte kinetische Energie (E_kin = mʋ²/2) ist das Ergebnis der Arbeit der Kräfte F = ma an ihm. Somit hängt die erreichbare kinetische Energie nur von den Beschleunigungskräften ab. Die in der Teilchenphysik verwendete Energieeinheit „Elektronenvolt“ beruht auf dieser Definition der Kraft.	Die Beschleunigung aller Körper endet mit dem Erreichen der Lichtgeschwindigkeit c als die Geschwindigkeit der Beschleunigungsimpulse. Die bei Beschleunigungen erreichbare kinetische Energie der Körper ist auf den Wert E_kin = mc²/2 beschränkt. Die Masse m repräsentiert dabei den materiellen Inhalt des jeweiligen Körpers, der sich bei Beschleunigungen ohne Massenaustausch nicht ändert.
Wirken auf Körper Gravitationskräfte, befinden sie sich in einem Gravitationsfeld das einen anderen Körper umgibt. Die im irdischen Gravitationsfeld erzeugte Gravitationskraft bestimmt somit das Gravitationspotential Φ und die potentielle Energie E_pot = mΦ der Körper gegenüber der Erde. Beim freien Fall eines Körpers im irdischen Gravitationsfeld nimmt sein Potential ab und seine potentielle Energie wird in kinetische Energie umgesetzt.	Gravitationskräfte sind das Ergebnis von Wechselwirkungen der kontinuierlichen Materie in benachbarten Gravitationsfeldern. Die kontinuierliche Materie kontrahiert in den wechselwirkenden Feldern um die Unterschiede in ihrer Materiedichte zu reduzieren. Die Kontraktion verformt die Gravitationsfelder, die auf der Erde als Ebbe und Flut sichtbar ist. Die Körper müssen der Kontraktion folgen, wenn Gegenkräfte wie Zentrifugalkräfte das nicht verhindern.
Im irdischen Gravitationsfeld bewegen sich frei fallende Körper bis zum Aufprall auf der Erdoberfläche beschleunigt. Mit seinem physikalischen Gesetz, s = kt²,hatte Galileo Galilei den Fallweg s der Körper in Abhängigkeit von der Fallzeit t bestimmt. Die Masse der Körper spielt im Gesetz keine Rolle. Die Konstante k hatte er aus seinen Fallversuchen ermittelt. Aus dem physikalischen Gesetz s = kt²folgt, dass alle Körper gleich schnell fallen, unabhängig von ihrer Masse. Die Konstante k wurde später als die veränderliche Erdbeschleunigung identifiziert.	Die Körper in den Zentren zweier wechselwirkender Gravitationsfelder werden zum Lagrangepunkt L₁als einem Punkt auf der Grenzfläche zwischen den Feldern beschleunigt. Bei unterschiedlichen Massen liegt der Punkt L₁ näher am leichteren Körper. Bei deutlich leichteren Körpern erzeugt das nahezu identische Geschwindigkeiten gegenüber dem schwereren Körper. Bei vergleichbaren Massen der Körper ist ihre Beschleunigung zum Punkt L₁zu betrachten. Bewegen sich z. B. durch Gravitationskräfte zwei Galaxien mit ihren Gravitationsfeldern aus großen Entfernungen aufeinander zu, können sie im Punkt L₁ mit Überlichtgeschwindigkeit kollidieren.
Das Potential Φ = ˗ Gm/r der Körper beschreibt die Gravitationsfelder, in denen sie sich befinden. Dabei ist r ihr Abstand vom Massenschwerpunkt der Körper in den Zentren der Gravitationsfelder. Das Potential Φ ist negativ, weil es bei unendlichem Abstand vom Zentrum der Felder a priori null gesetzt wurde. Wegen der angenommenen Konstanz der Lichtgeschwindigkeit c in Gravitationsfeldern wird z. B. die Zunahme der Wellenlänge des Sonnenlichtes im solaren Gravitationsfeld durch „Zeitdilatation“ erklärt. Die anschließende Verkürzung der Wellenlänge im Gravitationsfeld der Erde wird dabei nicht betrachtet.	Gravitationsfelder bestehen aus kontinuierlicher Materie veränderlicher Dichte. Die Dichteverteilung in wechselwirkenden Gravitationsfeldern ist indirekt messbar. Auf der Oberfläche der Körper in den Zentren der Felder hat die Materiedichte ihren Maximalwert. Entlang der Feldlinien nimmt die Dichte stetig ab. Der Maximalwert hängt von der inneren Struktur des Körpers im Zentrum des jeweiligen Gravitationsfeldes ab, der Minimalwert von den äußeren Grenzbedingungen des Feldes. Im Gravitationsfeld der Sonne nimmt dadurch die Geschwindigkeit des emittierten Sonnenlichtes zu und streckt so die Wellenlängen zur beobachtbaren Rotverschiebung.
Mit seiner allgemeinen Relativitätstheorie hatte Einstein die heutzutage beobachtbaren „Gravitationswellen“ vorhergesagt. Gemäß der Theorie werden sie als „Stauchungen“ und „Streckungen“ der Raumzeit erklärt. Die Raumzeit hat als mathematisch definierter vierdimensionaler Vektor drei imaginären Raumkomponenten und eine reale Zeitkomponente. Die Zeitkomponente ist definiert als das Produkt der veränderlichen Zeit t mit der konstanten Lichtgeschwindigkeit c. Die Unabhängigkeit der vier Vektorkomponenten hatte für die Beschreibung des Universums die Möglichkeit der getrennten Betrachtung von Raum und Zeit wiederhergestellt. In der ursprünglichen Version der speziellen Relativitätstheorie hängen Raum und Zeit mathematisch voneinander ab.	Gravitationswellen werden wie jede andere Strahlung in der raumfüllenden kontinuierlichen Materie erzeugt. Wenn sich z. B. im Weltraum zwei schwarze Löcher mit hoher Geschwindigkeit umkreisen, erzeugen sie mit den sie begleitenden Gravitationsfeldern in den angrenzenden Gravitationsfeldern „Bugwellen“ wie Flugzeuge in der Erdatmosphäre. Die Bugwellen bewegen sich durch die anderen Gravitationsfelder mit der Lichtgeschwindigkeit c, die von der Materiedichte in den Feldern abhängt. Auch die Erde erzeugt mit ihrem Gravitationsfeld bei ihrer Rotation um die Sonne im Gravitationsfeld der Sonne eine solche Bugwelle. Bei ausreichender Messgenauigkeit wäre die Bugwelle auf den anderen Planeten des Sonnensystems messbar.
Die Masse m irdischer Körper wird gewöhnlich durch Wägung bestimmt. Mithilfe der Energie-Masse Äquivalenz E = mc² wird die Masse m auch als „Ruheenergie“ der Körper interpretiert. Im frühen expandierenden Universum gewährleistete der quantenphysikalische „Higgs Mechanismus“ die Umwandlung der ursprünglichen Energie in die Teilchenmasse. Die dunkle Energie im heutigen Weltraum leistet den größten Beitrag zur Gesamtmasse des Universums und sorgt für seine beschleunigte Expansion, trotz allgegenwärtiger Gravitation.	Um die relativen Ruhe- und Bewegungszustände der Körper zu beschreiben, hatte die klassische Physik den Begriff „Energie“ als das Ergebnis der Arbeit von Kräften an den Körpern definiert. Die Definition setzt die Existenz der Körper mit ihrem materiellen Inhalt voraus. Das schließt aus, den durch die Masse m bestimmten materiellen Inhalt der Körper als Ruheenergie zu interpretieren. Im Falle der Strahlung wird die Energie durch Wechselwirkungen der Teilchenfelder erzeugt und dann als Wellenenergie durch die kontinuierliche Materie abtransportiert.
Die apriorische Annahme des „Welle-Teilchen Dualismus“ gestattet die Beschreibung der Elementarteilchen und ihrer gebundenen Systeme durch imaginäre Wellenfunktionen. Je nach Bedarf können sie als lokalisierbare diskrete Objekte der Materie oder als räumlich ausgedehnte Wellen interpretiert werden. Ein Beispiel ist die Erklärung der Doppelspaltversuche mit ungebundenen Elektronen.	Elektronen u. a. Elementarteilchen sind die diskreten Grundbausteine für alle komplexeren Strukturen. Bewegen sich ungebundene Elektronen mit den sie umgebenden Feldern durch die kontinuierliche Materie, werden sie zu Schwingungen angeregt. Das erzeugt begleitende Resonanzwellen in der kontinuierlichen Materie, die die Doppelspaltversuche ohne den Welle-Teilchen Dualismus erklären.
Die dunkle Materie besteht aus neuartigen Teilchen, die zwar Gravitation, aber keine messbare Strahlung erzeugen. Sie verstärken die Gravitationskräfte im Weltraum und erklären so in Übereinstimmung mit Newtons Gravitationsgesetz die Rotationsgeschwindigkeiten der Sterne in Galaxien und die relativen Bewegungen der Galaxien zueinander. Trotz intensiver Suche konnten die neuartigen Teilchen weder durch astronomische Beobachtungen noch durch irdische Experimente nachgewiesen werden. Zudem widerspricht die Annahme diskreter dunkler Materie der Beobachtung kollidierender Galaxien.	Im Universum existiert nur die kontinuierliche Materie mit den eingebetteten diskreten Elementarteilchen. Es sind die beiden Grundkomponenten des gleichen Urstoffs. Die unsichtbare kontinuierliche Materie erklärt sowohl das Schwingungsverhalten der in ihr bewegten Teilchen, als auch die Gravitation und die optischen Effekte auf der Erde und im Universum. Die kontinuierliche Materie expandiert durch lokale Impulse, um die Dichteunterschiede in ihr zu beseitigen. Das hat von Anfang an die Expansion des Universums bewirkt. Die Elementarteilchen wurden bei der Expansion durch Phasenumwandlung erzeugt. Die weitere Absenkung der Materiedichte hat dann die Gravitationsfelder und die anderen Felder erzeugt, von denen die Elementarteilchen und die makroskopischen Körper umgeben sind. In wechselwirkenden Gravitationsfeldern reduziert die kontinuierliche Materie ihre Dichteunterschiede durch Kontraktion.
Das Universum ist ein geschlossenes, isotropes physikalisches System. Seine Expansion wurde aus der Streckung der Wellenlängen des Lichtes von Galaxien geschlussfolgert, die mit der Entfernung der Galaxien von der Erde zunimmt. Als „geschlossenes“ physikalisches System hat das Universum weder Anfangs- noch Randbedingungen. Das schließt jegliche rationale Erklärung seiner Entstehung und der Herkunft seines materiellen Inhalts aus. Die a priori angenommene Isotropie ermöglichte eine Lösung der Feldgleichungen der allgemeinen Relativitätstheorie. Als „isotropes“ physikalisches System hat das Universum im Weltraum kein Expansionszentrum.	Das Universum ist Teil einer größeren Wirklichkeit mit Anfangs- und Randbedingungen. Die Anfangsbedingungen haben die Ursachen für seine Entstehung gesetzt. Bei seiner Expansion hat das Universum seinen materiellen Inhalt von der äußeren Wirklichkeit bezogen. Nach dem Auftauchen der Elementarteilchen mit ihren wechselwirkenden Feldern hat der Konflikt zwischen Expansion und Kontraktion der kontinuierlichen Materie zur Evolution der Strukturen im Universum geführt. Diese Strukturevolution hat die erstaunlichen Eigenschaften des Urstoffs offenbart, aus dem das Universum besteht. Dazu gehört die Entwicklung des Lebens bis hin zur Fähigkeit des Menschen zum Fühlen, Denken, Verstehen und bewusstem Handeln in der Wirklichkeit.
In der Teilchenwelt ist die „Zeitumkehr“ von Zustandsänderungen wie in einem rückwärtslaufenden Film möglich.	Alle Zustandsänderungen im Universum sind auf die Herstellung eines Gleichgewichtszustandes der kontinuierlichen Materie ohne Dichteunterschiede gerichtet. Die Anwesenheit der Elementarteilchen mit ihren Feldern verhindert diesen Gleichgewichtszustand durch Expansion zu erreichen. Im Wechselspiel von Feld- und Trägheitskräften verursacht das im Universum fortwährende Zustandsänderungen, verbunden mit einem ständigen Werden und Vergehen der diskreten Strukturen. Bei ausbalancierten Feld- und Trägheitskräften bilden die Elementarteilchen mithilfe ihrer Felder komplexere Strukturen als temporäre Gleichgewichtszustände. Beispiele sind die Atome und das Sonnensystem.
Um die Positionen und Bewegungen der verschiedenen Objekte im Weltraum zu bestimmen, wendet die Astronomie die euklidische Geometrie an. Die euklidische Geometrie definiert die Raumzeit als „flach“, d.h. ohne Krümmung. Die Kosmologie schlussfolgerte aus der flachen Raumzeit, dass die Expansion des Universums erst nach unendlicher Zeit zum Stilltand kommt. Der Ansatz der flachen Raumzeit steht allerdings im Widerspruch zur allgemeinen Relativitätstheorie, nach der die gekrümmte Raumzeit die Ursache für die Gravitation im Universum ist.	Werden die Expansionsimpulse in der kontinuierlichen Materie insgesamt zu schwach, beginnt die Kontraktion des Universums durch die Gravitation. Sie endet mit der Liquidation der diskreten Strukturen in einem Kollisionszentrum. Es entsteht eine Region überkritischer Dichte der kontinuierlichen Materie, die frei von diskreten materiellen Objekten und den sie begleitenden Feldern ist. Erreicht die Dichte im Kollisionszentrum ihren möglichen Maximalwert, startet hier die Expansion eines neuen Universums. Die Expansion ermöglicht durch Phasenumwandlung die Produktion neuer Elementarteilchen. Das setzt bei fortgesetzter Expansion eine neue Strukturevolution in Gang. Bei geeigneten Bedingungen kann dabei wieder neues Leben entstehen.

Anmerkung:

Die hier diskutierten apriorischen Annahmen und ihre Korrekturen sind das Ergebnis einer umfassenden Analyse der Theorien und Modelle der derzeitigen Physik. Die Korrekturen ermöglichen eine Interpretation der Wirklichkeit, die mit allen heutigen Daten aus Experimenten und Beobachtungen sowie mit unseren direkten Erfahrungen übereinstimmt.

Die daraus resultierenden Korrekturen der Theorien und Modelle der heutigen Physik haben weitreichende Konsequenzen, die sinnvoll nur in ihrem Zusammenhang, d. h. in Buchform zu publizieren sind. Die einschlägigen Fachverlage schließen z. Z. eine solche Veröffentlichung aus. Sie verlangen u. a. die vorherige Veröffentlichung neuer Erkenntnisse als Fachartikel. Die einschlägigen Fachjournale lehnen aber Fachartikel ab, wenn sie die derzeitigen Theorien und Modelle der Physik infrage stellen.

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