Gravitation in neuer Sicht

Autor:    Ekkehard Friebe
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Seit mehr als 300 Jahren wird das auf Kepler's Gesetzen aufbauende, Isaac NEWTON (1643 - 1727) zugeschriebene Gravitationsgesetz:

K = G · ( m₁ · m₂ ) / r²

mit K = Kraft,             G = Gravitationskonstante,

m₁ = erste Masse, m₂ = zweite Masse, r = Abstand der beiden Massen.

als experimentell hervorragend bestätigt betrachtet. Diesem Gesetz liegt die Hypothese zugrunde, daß sich alle Massen im Weltall gegenseitig mit der Kraft   K   anziehen. Zwar sind inzwischen zahlreiche abweichende physikalische Interpretationen der oben genannten Formel versucht worden, die Richtigkeit der mathematischen Abhängigkeit selbst ist aber kaum in Frage gestellt worden. Erst in neuerer Zeit werden in zunehmenden Maße Zweifel geltend gemacht.
In der vorliegenden Untersuchung wird eine grundlegend andere Auffassung dargelegt und begründet.

a) Das 1. Axiom NEWTONs

Die Theoretische Physik rechnet so, als ob das 1. Axiom von Isaac NEWTON ( - Jeder Körper beharrt in seinem Zustande der Ruhe oder der gleichförmigen geradlinigen Bewegung, wenn er nicht durch einwirkende Kräfte gezwungen wird, seinen Zustand zu ändern - ) ein allgemeingültiges Naturgesetz sei, obwohl ein Axiom lediglich eine Festsetzung darstellt. Die mathematische Ableitung zum sogenannten NEWTON-schen Gravitationsgesetz geht von diesem Axiom aus und kommt zu der irrtümlichen Behauptung von gravitiven Anziehungskräften (Fernwirkung) zwischen den Himmelskörpern. Hierin hat die weltweite Krise der Theoretischen Physik ihren eigentlichen Ursprung.

 
b) Die linear-gleichförmige Bewegung

Betrachtet man die eingangs gebrachte Grafik der Wanderung der Erde um die Sonne, so erkennt man beispielhaft folgende drei Eigenschaften der Planeten des Sonnensystems:

a) Der Planet läuft auf einer gekrümmten Bahn um die Sonne herum.

b) Der Planet rotiert um seine eigene Achse (Rotationsachse).

c) Die Rotationsachse besitzt gegen die Ebene der Umlaufbahn eine Neigung, die im Zyklus über Frühling, Sommer, Herbst, Winter laufend anders gegenüber der Bahnebene orientiert ist.

Als Isaac NEWTON seinerzeit das nach ihm benannte „Gravitationsgesetz“ formulierte, zog er nur die Eigenschaft a) in Betracht, vernachlässigte aber - aus welchen Gründen auch immer - die Eigenschaften b) und c). Er ging anstatt dessen von der auf GALILEI zurückgehenden Annahme aus:

Jeder Körper beharrt in seinem Zustande der Ruhe oder der gleichförmigen geradlinigen Bewegung, wenn er nicht durch einwirkende Kräfte gezwungen wird, seinen Zustand zu ändern.

Diese Annahme wird heute als das 1. Axiom von Isaac NEWTON bezeichnet. Deshalb wird vielfach angenommen, dieses Axiom sei erstmals von Newton selbst formuliert worden. Das ist nicht der Fall. Newton selbst schreibt, nachdem er zuvor seine Prinzipien und Zusätze formuliert hat, folgendes (Zitat aus NEWTON 1963, S. 39, 3. Abs.):

Anmerkung: Bis jetzt habe ich die Principien dargestellt, welche von den Mathematikern angenommen, und durch vielfältige Versuche bestätigt worden sind. Durch die zwei ersten Gesetze und die zwei ersten Zusätze fand GALILEI, dass der Fall schwerer Körper im doppelten Verhältnis der Zeit stehe, und dass die Bewegung der geworfenen Körper in Parabeln erfolge; übereinstimmend mit der Erfahrung, in so weit jene Bewegungen nicht durch den Widerstand der Luft etwas verzögert werden. (Ende des Zitats)

Lange Zeit wurde das genannte 1. Axiom als universell gültiges Naturgesetz angesehen. So schreibt beispielsweise Roger COTES in seiner Vorrede aus dem Jahre 1713 zur zweiten Ausgabe von Newtons „Mathematische Principien der Naturlehre“ (Zitat aus NEWTON 1963, S. 6, vorletzter Abs.):

Dass jeder Körper in seinem Zustande der Ruhe, oder der gleichförmigen geradlinigen Bewegung verharre, wofern er nicht durch einwirkende Körper gezwungen wird, jenen Zustand zu verändern, ist ein von allen Gelehrten angenommenes Naturgesetz. Hieraus folgt aber, dass Körper, welche sich in Curven bewegen, also von den ihre Bahnen berührenden geraden Linien beständig abweichen, durch irgend eine fortwährend wirkende Kraft in ihrer krummlinigen Bewegung zurückgehalten werden. Da die Planeten sich in krummen Bahnen bewegen, muss nothwendig irgend eine Kraft da sein, durch deren wiederholte Wirksamkeit sie unaufhörlich von ihren Tangenten abgelenkt werden. (Ende des Zitats)

Die linear-gleichförmige Bewegung wird also hier als naturgesetzlich angenommen, obwohl noch nie jemand in der unbeeinflußten Natur eine solche Bewegung beobachtet hat. Wirft man z. B. einen Körper senkrecht in die Höhe, so bewegt er sich zwar linear aber nicht gleichförmig. Wirft man ihn dagegen in horizontaler oder in schräger Richtung, so bewegt er sich weder gleichförmig noch linear (GALILEI-Parabel). Die Schwerkraft ist die Ursache. Es bleibt also die Frage, ob die linear-gleichförmige Bewegung bei Fortfall der Schwerkraft eine naturgesetzliche Bewegung ist?

Nein! Dies ist nicht der Fall. Neuere Erkenntnisse zeigen nämlich, daß Körper mit Rotation (Drehimpuls) krummlinige Bahnen beschreiben. Die Vernachlässigung der Rotation der Planeten durch NEWTON muß daher aus heutiger Sicht als eine wesentliche Ursache der weltweiten Krise der Theoretischen Physik angesehen werden.

c) Kosmische Beschleunigungen

Die meisten Naturwissenschaftler glauben, daß beschleunigte Bewegungen - auch Drehbewegungen (Rotationen) sind beschleunigte Bewegungen - bezüglich der Bezugssysteme einen anderen Rang einnehmen als linear-gleichförmige Bewegungen. Dieses ist ein altes Dogma, das auf NEWTONs Zeit zurückgeht, und zwar auf NEWTONs DEFINITION:

Kraft = Masse mal Beschleunigung.

(Vergleiche hierzu: NEUNDORF (1998):
„Der Massenbegriff - Beispiel eines der undefiniert verwendeten Begriffe in der Physik“)

Befindet sich beispielsweise ein Körper A vollkommen allein im weiten Kosmos, so kann ihm - mangels eines geeigneten Bezugs - keine Beschleunigung zugeschrieben werden, nicht einmal die Beschleunigung NULL. Kommt aber ein zweiter Körper B hinzu, so kann durch Beobachtung (oder durch optische Messung) festgestellt werden, ob beide Körper relativ zueinander beschleunigt sind. Die Beobachtung (oder optische Messung) selbst kann aber - sofern keine weiteren Informationen zur Verfügung stehen - nicht entscheiden, ob Körper A oder Körper B beschleunigt ist oder ob beide Körper anteilig beschleunigt sind. Dasselbe gilt natürlich auch für negative Beschleunigungen (Verzögerungen).

Es ergibt sich also für jeden, ggf. rotierenden Beobachter (Meßvorrichtung, Bezugssystem) ein anderer Wert der Beschleunigung. Eine Beschleunigung ist deshalb keine „Eigenschaft“ eines einzelnen Objektes sondern eine Relation, die nur zwischen mindestens zwei Objekten einen Sinn ergibt.

Dennoch ist ein beschleunigtes (oder verzögertes) Geschoß oder ein beschleunigt (oder verzögert) fahrendes Auto keine rein theoretische Angelegenheit, sobald die Möglichkeit eines Zusammenstoßes zweier Objekte besteht. Der Zerstörungseffekt, der beim Zusammenstoß beider Objekte entsteht, ist aber weder vom Standpunkt und/oder vom Bewegungszustand eines außerhalb befindlichen Beobachters noch von irgend einem Bezugssystem abhängig, sondern nur von der Relativbeschleunigung beider Objekte relativ zueinander im Augenblick des Zusammenstoßes.

Es sind also grundsätzlich zwei Arten von Beschleunigungen zu unterscheiden:

a) Beschleunigungen als Relationen in Bezug auf einen Beobachter (Meßeinrichtung, Bezugssystem).

b) Beschleunigungen als Relativbeschleunigungen zwischen zwei miteinander reagierenden Objekten.

Die klassische Physik hat diesen Unterschied nicht gesehen und deshalb beide Arten von Beschleunigungen in ihren mathematischen Konzepten in unzulässiger Weise miteinander verknüpft.

Schon frühzeitig hat Hugo DINGLER diesen Sachverhalt erkannt. In seinem Buch: „Physik und Hypothese“ (1921) schreibt er im Abschnitt: „Kritische Analyse der Grundlagen der Relativitätstheorie“ (Zitat aus DINGLER 1921, S. 153 bis 154):

Der in Translation begriffene Eisenbahnwagen erleide nun eine Beschleunigung. Was wird geschehen? Sollte ich gerade beim Ballspielen sein, so werde ich selbst Mühe haben, mich aufrecht zu erhalten, indem ich mich am nächsten Gegenstande festhalte. Mein in der Luft befindlicher Ball wird nicht mehr am gleichen Platz herabfallen. „Also ist eine Beschleunigung bemerkbar“, schließt man. Bei dieser passierte doch offenbar folgendes: Die Beschleunigung wurde ausgeübt zuerst auf die Puffer oder den Verbindungshaken des Wagens. Von diesen verbreitete sie sich auf die mit diesen in fester Verbindung befindlichen Teile, darunter schließlich auch auf meine Füße. Da aber mein Oberkörper mit diesen nicht in völlig fester Verbindung steht, so kam der nicht gleich mit und fiel um. Ebenso war es mit dem Ball. Es ist also gar nicht wahr, daß auf das ganze System eine Beschleunigung ausgeübt wurde. Auf einen Teil des Systems nur, der zufällig die anderen durch seine Form räumlich umschließt, wurde eine Beschleunigung ausgeübt. Bei der Translation wird stillschweigend angenommen, daß alle Teile des Systems sie haben; hier ist nur ein Teil beschleunigt, andere nicht, und lediglich dieser Unterschied in der Behandlung der verschiedenen Teile des Systems wird wahrgenommen, sonst nichts. Denken wir uns statt der Lokomotive als Bewegungserzeugung einen großen Körper in größerer Entfernung der in der Bewegungsrichtung den Wagen und alle Körper attrahiert, ihnen also Beschleunigungen erteilt, dann ist von diesen ebensowenig auf mechanischem Wege zu bemerken, wie von einer Translation. Alle Körper, Wagen und Inhalt erhalten die gleichen Beschleunigungen, und relativ zu einander bleibt alles beim alten. Dabei könnte das Attraktionsgesetz noch beliebig von der Zeit abhängen. (Ende des Zitats)

Die Kraft, die z. B. ein Sportler bei der Sportdisziplin Kugelstoßen aufbringen muß, kann er nur erbringen, indem er sich auf dem Erdboden abstützt. Das Prinzip

actio = reactio

wird hier wirksam. Die NEWTON zugeschriebene Beziehung

Kraft = Masse mal Beschleunigung

suggeriert, es sei nur eine Masse an dem jeweils betrachteten Vorgang beteiligt. In Wirklichkeit ist aber der Planet ERDE mit im Spiel, für den stillschweigend die

Masse = UNENDLICH

vorausgesetzt ist. Diese Voraussetzung schließt die Annahme ein, daß die ERDE die Beschleunigung NULL aufweist. Damit ist für die klassische Mechanik (mit Ausnahme der Himmelsmechanik) zwangsläufig die ERDE das Bezugssystem für Beschleunigungen.

Betrachtet man jedoch solche Zuordnungen, bei denen auch die abstützende, zweite Masse ungleich unendlich ist, dann wird deutlich, daß stets die Relativbeschleunigung beider Massen relativ zueinander entscheidend ist. Diese Relativbeschleunigung erzeugt beispielsweise der kugelstoßende Sportler durch seine Muskelkraft, die er zwischen Kugel und abstützender Masse aufbringt. Als Beispiel sei das Kugelstoßen von einem leicht beweglichen Boot aus genannt. Außenstehende Beobachter oder Bezugssysteme haben keinen Einfluß auf den physikalischen Vorgang.

Alternativ ist hier der Raketenantrieb zu nennen, dessen abstützende Masse durch eine Vielzahl kleiner Teilchen gebildet wird, die zum einen häufig nicht direkt sichtbar sind und die zum anderen keinen einheitlichen Ort und keine einheitliche Geschwindigkeit aufweisen. In keinem Falle ist jedoch der sogenannte absolute Raum das universelle Bezugssystem.

d) Abänderung des 1. Axioms NEWTONs

In der Arbeit FRIEBE (1997) wurde aufgezeigt, daß - zur Berücksichtigung des Drehimpulses - das 1. Axiom NEWTONs nur geringfügig abgeändert werden muß, und zwar wie folgt (Zitat):

1. Axiom
Jeder Körper ohne Drehimpuls beharrt in seinem Zustande der Ruhe oder der gleichförmigen geradlinigen Bewegung, wenn er nicht durch einwirkende Kräfte gezwungen wird, seinen Zustand zu ändern.

Hierdurch wird eine mehr als 300 Jahre alte, dogmatische Einschränkung aufgehoben und der Weg frei, das Bewegungsverhalten von Körpern mit Drehimpuls zutreffend zu beschreiben.

Dieses Bewegungsverhalten ist nämlich im allgemeinen krummlinig (Kreise, Ellipsen usw.). Es ist nicht mehr notwendig, fiktive gravitive Fernwirkungen einzuführen, um krummlinige Bewegungsbahnen verständlich zu machen. Wie in der Arbeit von FRIEBE (1996) gezeigt wurde, sind die krummlinigen Bahnen von Himmelskörpern weder abhängig von der Größe einer zentralen Masse noch abhängig von dem Abstand der beteiligten Massen.

Hierdurch wird ferner der Begriff der absoluten Ruhe (beispielsweise: absoluter Raum, physikalischer Raum, Ätherhypothese, Neutrinomeer, Tachyonenfeld, Quantenvakuum) überflüssig. Das Relativitätsprinzip der klassischen Mechanik wird zwanglos anwendbar, wie es EINSTEIN ursprünglich vermutet hatte. (Ende des Zitats)
 

e) Schwerkraft als dynamische Kraft

In diesem Zusammenhang tritt sogleich folgende Frage auf:

Wie erklärt sich die auf der Erdoberfläche feststellbare Schwerkraft, wenn keine Kräfte zwischen den Himmelskörpern vorhanden sind?

Betrachten wir hierzu (fiktive) Himmelskörper, welche die ERDE umkreisen - ähnlich dem irdischen Mond. Die Massen dieser Himmelskörper bewegen sich aufgrund ihres mitgeführten Drehimpulses auf einer vergleichsweise großen Kreisbahn. Der Radius dieser Kreisbahn ist abhängig von dem Verhältnis Impuls zu Drehimpuls. Ist dieser Radius größer als der Erdradius, so bewegen sich die Massen zwanglos auf einer Kreis- oder Ellipsenbahn (KEPLER-Ellipse) um die ERDE herum. Ist aber der genannte Radius kleiner als der Erdradius, so kommt es zu einem dynamischen Zwangszustand, den wir als Schwerkraft empfinden. Die Größe dieser Schwerkraft ist einerseits davon abhängig, wie groß der Unterschied ist zwischen Erdradius und dem genannten, vom Verhältnis Impuls zu Drehimpuls abhängigen Radius, andererseits davon, wie groß die Masse des betrachteten Körpers ist. Unter diesem Aspekt wird auch die „Äquivalenz“ von träger und schwerer Masse zu einer logischen Notwendigkeit. Außerdem ist im Rahmen dieser neuen Interpretation die Schwerkraft ein qualitativer Nachweis der Erdrotation. - Diese Gedanken wurden schon in den Arbeiten FRIEBE (1996) und FRIEBE (1997) erläutert.

 
f) Weitere Fragen zum abgeänderten 1. Axiom

Seit Erscheinen der Arbeiten FRIEBE (1996) und FRIEBE (1997) sind noch folgende Fragen aufgetreten:

1. Ist das neu formulierte 1. Axiom ein echtes Naturgesetz?

2. Wie erhält man den krummlinigen Bahnverlauf eines Himmelskörpers, obwohl das abgeänderte 1. Axiom eine Negativaussage (ohne Drehimpuls) beinhaltet?

3. Wie können mit diesem Modell elliptische Bahnformen der Himmelskörper erklärt werden?

4. Wie erklärt es sich, daß einzelne Planeten rückläufig rotieren?

5. Ist das „Inertialsystem“ eine zweifelsfreie Basis zur mathematischen Beschreibung von kosmischen Geschwindigkeiten und Beschleunigungen?

Zu 1:
Nein! Denn im Kosmos ist der Begriff einer geradlinigen Bewegung überhaupt nicht definiert. Denn die Erde und vermutlich alle anderen Himmelskörper drehen sich um ihre eigene Achse, so daß abhängig davon, wo sich ein Beobachter (oder eine optische Meßvorrichtung) befindet, ein und dieselbe Bewegung - aufgrund der Eigenrotation des Beobachters (oder der Meßvorrichtung) - als geradlinig oder krummlinig zu beschreiben ist, und zwar unabhängig davon, ob man einen „absolut ruhenden Raum“ als gegeben annimmt oder nicht. Eine geradlinige Bewegung läßt sich daher nur in Bezug auf einen einzigen Himmelskörper und dessen Rotationsverhalten eindeutig definieren. Das neue 1. Axiom gilt daher - ebenso wie das 1. Axiom NEWTONs - nur in einem beschränkten Bereich als erste Näherung; vgl. FRIEBE (1989), Abschnitt A.

Bei Anwendung des abgeänderten 1. Axioms auf beide Punktmassen unter Berücksichtigung ihrer Einzelgeschwindigkeiten (Anteile der rotierenden und der linear-gleichförmigen Bewegung) ergeben sich über die starre Verbindung von P und Q Trägheitskräfte, die eine geradlinige Bewegung des Schwerpunktes S verhindern. Es folgt eine Bewegungsbahn von S entsprechend dem krummlinigen, punktierten Pfeil im BILD (Computer-Simulation).

Zu 3:
Wir gehen zunächst davon aus, daß die Umlaufbahn des zu betrachtenden Himmelskörpers in einer Ebene verläuft. Die Ursache der elliptischen Bahnform ist nun die Neigung der Rotationsachse gegen die Bahnebene. Dabei ist zu berücksichtigen, daß diese Neigung im Zyklus über Frühling, Sommer, Herbst, Winter laufend anders gegenüber der Bahnebene orientiert ist. Zur weiteren Analyse kann man den Rotations-Vektor in drei Komponenten zerlegen:

Komponente A senkrecht zur Bahnebene;

Komponente B parallel zur Bahnebene parallel zur Bewegungsbahn;

Komponente C parallel zur Bahnebene senkrecht zur Bewegungsbahn.

Die Komponente A bewirkt eine kreisförmige Bahn (siehe oben).

Die Komponente B bewirkt eine Richtungsstabilisierung in Richtung der Bewegungsbahn, wie beispielsweise bei Artilleriegeschossen mit Drall.

Die Komponente C erzwingt eine Krümmung der sogenannten Bahnebene.

Ist die Komponente A allein vorhanden, so ist nur eine kreisförmige Bahn möglich. Wie die eingangs gebrachte Grafik: Wanderung der Erde um die Sonne erkennen läßt, bleibt der Betrag der Komponente A während eines Umlaufes unverändert. Die Komponente B ändert während eines Umlaufes ihren Wert von einem positiven Maximum über Null zu einem negativen Maximum. Da die richtungsstabilisierende Wirkung vom Vorzeichen unabhängig ist (es ist z. B. bei Artilleriegeschossen mit Drall gleichgültig, ob Linksdrall oder Rechtsdrall vorliegt), interessiert nur der Betrag. Die Komponente C ändert ebenfalls während eines Umlaufes ihren Wert von einem positiven Maximum über Null zu einem negativen Maximum. Hier bewirkt das wechselnde Vorzeichen eine Krümmung der sogenannten Bahnebene das eine Mal zur einen Seite, das andere Mal zur anderen Seite, so daß eine gewellte Ebene die Folge ist. Die Behauptung einer Bahnebene ist daher lediglich eine Näherung. Der elliptische Bahnverlauf resultiert aus dem Wechselspiel der Komponenten A und B. Aber auch die gewellte Ebene gemäß Komponente C kann zusätzlich einen nicht-kreisförmigen Bahnverlauf verursachen.

Zu 4:
Von den Planeten Merkur, Venus, Erde, Mars, Jupiter, Saturn, Uranus, Neptun rotieren nur Venus und Uranus rückläufig. Diese beiden Planeten haben aber - als einzige - eine Achsneigung größer als 90 Grad, und zwar 117,3 Grad (Venus) und 97,87 Grad (Uranus), was dynamisch gleichbedeutend ist mit einer vorwärtsläufigen Rotation von 180 - 117,3 = 62,7 Grad (Venus) und 180 - 97,87 = 82,13 Grad (Uranus).

Zu 5:
Nein! Das Inertialsystem ist die Ursache vieler Mißverständnisse, da es auf der linear-gleichförmigen Bewegung aufbaut. Lesen Sie hierzu: THÜRING (1967), S. 75 bis 77 und S. 234 bis 240.

Ein Hauptanliegen der vorstehenden Untersuchung ist es, neue Denkanstöße zu geben und uralte Dogmen abzubauen. Folgende Dogmen, die eng miteinander verknüpft sind, stehen dabei im Vordergrund:

1. Der Glaube an die Weltmaschine (vgl. TETENS 1984).
2. Der Glaube an den absoluten Raum als universelles Bezugssystem.
3. Der Glaube an gravitive Fernwirkungen.

Durch Überwindung dieser Dogmen wird ein neues Verständnis der Weltraumfahrt möglich. Mit dem abgeänderten 1. Axiom wird die Äquivalenz von träger und schwerer Masse zur Selbstverständlich- keit, da die Schwerkraft auf der Erdoberfläche aufgrund einer rotierenden trägen Masse (Drehimpuls) rein dynamisch begründet ist.

Literatur:

DINGLER, H. (1921): „Physik und Hypothese - Versuch einer induktiven Wissenschaftslehre nebst einer kritischen Analyse der Fundamente der Relativitätstheorie“, Verlag Walter de Gruyter, Berlin und Leipzig

FÖLSING, A. (1984): „Der Mogelfaktor - Die Wissenschaftler und die Wahrheit“, Verlag Rasch und Röhring, Hamburg

FRIEBE, E. (1999): „Die Gleichheit der trägen und schweren Masse“, Vortrag auf der DPG-Didaktik-Frühjahrstagung, Pädagogische Hochschule Ludwigsburg, am 10. März 1999

JAMMER, M. (1964): „Der Begriff der Masse in der Physik“, Wissenschaftliche Buchgesellschaft, Darmstadt

NEWTON, I. (1963): „Mathematische Prinzipien der Naturlehre“, mit Bemerkungen und Erläuterungen. Herausgegeben von J. Ph. WOLFERS. Mit einer Vorrede von Roger Cotes aus dem Jahre 1713. Wissenschaftliche Buchgesellschaft, Darmstadt.

ROSENBERGER, F.(1895): „Isaac Newton und seine Physikalischen Principien - Ein Hauptstück aus der Entwicklungsgeschichte der modernen Physik“, Johann Ambrosius Barth, Leipzig - Reprint 1978: Unveränderter Nachdruck der Ausgabe Leipzig 1895, Dr. Martin Sändig GmbH, Walluf, Nendeln

TETENS, H. (1984): "Der Glaube an die Weltmaschine - Zur Aktualität der Kritik Hugo Dinglers am physikalischen Weltbild", aus: Janich, P. (Hrsg.): "Methodische Philosophie - Beiträge zum Begründungsproblem der exakten Wissenschaften in Auseinandersetzung mit Hugo Dingler", Bibliographisches Institut Mannheim, Wien, Zürich

THÜRING, B. (1967): „Die Gravitation und die philosophischen Grundlagen der Physik“, Verlag Duncker & Humblot, Berlin