Blog Ekkehard Friebe

FRIEBE, Ekkehard (1996): „Newtons Gravitationsgesetz . . . . .
nur die halbe Wahrheit?“,
DPG-Didaktik-Tagungsband 1996. Hrsg.: Deutsche Physikalische Gesellschaft

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a) Zusammenfassung

Unter vorstehendem Titel erschien in der Zeitschrift „bild der wissenschaft“, 1989, H. 3/89, S. 49 – 58, ein Aufsatz der Autoren H. J. FAHR und W. KNAPP. Diese Arbeit enthält als Untertitel die Fragestellung: „. . . rechnen wir seit Jahrhunderten falsch?“ Diese letztgenannte Fragestellung muß eindeutig mit „JA“ beantwortet werden, wie eine Untersuchung anhand des Tagungsbandes zum „Ersten internationalen Kongreß für Relativität und Gravitation, München 1988“ in Verbindung mit weiteren Recherchen ergeben hat. Die Ursache liegt in NEWTONS 1. Axiom: „Kräftefreie physikalische Körper befinden sich stets im Zustande der Ruhe oder der gleichförmig-geradlinigen Bewegung.“ Dies ist eine einschränkende Axiomatik, die nur auf Punktmassen oder nicht punktförmige, reale Körper ohne Drehimpuls anwendbar ist. Reale Körper mit Drehimpuls bewegen sich im allgemeinen auf krummlinigen Bahnen, abhängig von Betrag und Richtung des Drehimpuls-Vektors. Attraktionskräfte nach dem NEWTON’schen Gravitationsgesetz erweisen sich als Fiktionen, die mit der Realität unvereinbar sind. Maßgebend für die Bewegung von kräftefreien Himmelskörpern sind Anfangs-Impuls und Anfangs-Drehimpuls.

b) Erster Internationaler Kongreß für Relativität und Gravitation, München

Vom 22. – 24. April 1988 fand in München der „Erste internationale Kongreß für Relativität und Gravitation“ statt. Die Veranstaltung war von Herrn Emil Andrej Maco angeregt, organisiert und vorbereitet worden. Außerdem war sie durch eine Pressekonferenz am 6. 11. 1987 im Hotel Sheraton, Frankfurt/M., und durch ein Pressegespräch am 10. 12. 1987 im Hotel Hilton, München, bekanntgemacht worden. Die Resonanz der Presse war nahezu Null. Lediglich die Zeitschrift „raum & zeit“, Ehlers-Verlag München/Sauerlach, die den Kongreß mit initiiert hatte, berichtete ausführlich, vor und nach der Tagung. Auch nach dem eigentlichen Kongreß hüllte sich die Presse (mit Ausnahme von „raum & zeit“) in Schweigen, obwohl Journalisten geladen und auch erschienen waren.

Dabei wurden auf diesem Kongreß ganz wesentliche Erkenntnisse diskutiert, die einer sensations-hungrigen Presse genügend Zündstoff geliefert hätten:

Emblem des Kongresses

.
Grundlegende Irrtümer der auf NEWTON zurückgehenden Gravitationstheorie, der EINSTEIN zugeschriebenen speziellen Relativitätstheorie und der von EINSTEIN entwickelten Gravitationstheorie (sogenannte allgemeine Relativitätstheorie).

Im November 1988 kam der Tagungsband zu diesem Kongreß heraus, zusammengestellt und bearbeitet von Herrn Emil Andrej Maco. Auf dem Titelblatt sind folgende Themen aufgeführt (Zitat):

„ 1. Widerlegung der Relativitätstheorie 2. Schaffung einer neuen, zeitgemäßen Physik 3. Progressive Ideen auf dem Gebiet der Gravitation.“

Als Zielsetzung wird u. a. genannt (Zitat):

„Der Weg aus der Relativität führt nicht zurück zu den Grundsätzen der mechanistischen Lehre Newtons. Eine wirkliche Lösung erfordert sowohl die Korrektur der EINSTEINschen als auch der NEWTON’schen Lehre. Aus ihren Bausteinen läßt sich eine neue, zeitgemäße Physik erschaffen.“

c) Der zukunftsweisende Beitrag von Frank D. MARTIN

Der Tagungsband enthält insgesamt 45 wissenschaftliche Beiträge von Autoren aus Deutschland, Österreich, Schweiz, Großbritannien, Griechenland, USA, UdSSR und CSSR. Darunter befassen sich 11 Beiträge speziell mit der Problematik der NEWTON’schen Gravitationstheorie. Unter den letztgenannten ist besonders die Arbeit von Frank D. MARTIN bemerkenswert. MARTIN schreibt (Zitat von Seite 114 des Tagungsbandes):

„Newton machte aus der natürlichen Kreisbewegung einer schwerelosen, z. B. um die Erde kreisenden Masse eine „ursächlich“ gerade Bewegung, die erst durch eine beschleunigende „Anziehungskraft“ der Erde in eine gekrümmte Umlaufbahn fallen sollte!“

Anfangs hielten wir diese Aussage für blanken Unsinn, denn es gilt doch als hinlänglich theoretisch und experimentell nachgewiesen, daß ein kräftefreier, schwereloser Körper entweder ruht oder linear-gleichförmig bewegt ist. Außerdem ist MARTINs Behauptung einer natürlichen Kreisbewegung insofern unvollständig, als sie vollkommen undefiniert läßt, ob die Krümmung der Kreisbewegung – aus der Sicht eines Beobachters – nach rechts, nach links, nach oben, nach unten oder sonst wie verläuft. Es bleibt somit auch offen, ob die natürliche Kreisbewegung beispielsweise um die Erde, den Mond, die Sonne oder überhaupt keinen Himmelskörper orientiert ist. Ohne das Vorliegen einer Ursache dieser Orientierung scheint somit die lineare Bewegung entsprechend NEWTONs Axiom zwingend zu sein.

d) Weiterbildung der Gedanken von Frank D. MARTIN

Angeregt durch die Aussagen von MARTIN und motiviert durch die weiteren kritischen Arbeiten im Tagungsband von 1988 führten wir eigene Recherchen durch. Dabei fiel uns die Arbeit FAHR / KNAPP (1989) in die Hände. Der Untertitel dieser Arbeit ist erstaunlich lang und lautet (Zitat):

„Was ist mit den Galaxien los? Sie drehen sich in ihren Randbereichen viel schneller, als es die Gesetze der Physik erlauben. Oder stimmt etwas nicht mit diesen ehrwürdigen Gesetzen? Der englische Physiker Sir Isaac Newton hatte vor 300 Jahren das Gravitationsgesetz aufgestellt – ein Grundgesetz für die Berechnung der Bewegungen in unserer Welt. Die Galaxien haben das Gesetz nun ins Wanken gebracht. Die Astronomen und Physiker stehen vor dem Dilemma, zwischen den beiden Alternativen entscheiden zu müssen: Täuschen uns die Himmels- Beobachtungen eine andere Welt vor – oder rechnen wir seit Jahrhunderten falsch?“

Im Mai 1994 wurden wir auf das Buch WALKER (1990): „Ein Ball mit Drall – Unterhaltsame Experimente aus Spektrum der Wissenschaft“ aufmerksam gemacht. In diesem Buch werden u. a. Spielzeugkreisel, Bumerangs, Racquetball, Squash, Billard, Achterbahnen und Kirmeskarussells behandelt. Hierdurch angeregt entstanden die Fragen: Sollte NEWTON vielleicht den Einfluß der Rotation der Himmelskörper außer acht gelassen haben? Gab es überhaupt zu Newtons Zeiten hinreichende Kenntnisse zum Drall (Drehimpuls) und zu den Kreiselgesetzen?

Eine erste mathematische Behandlung brachte das Ergebnis, daß aufgrund des sog. Superpositionsprinzips die Bewegung von Himmelskörpern ausschließlich von der Schwerpunktsbewegung, nicht jedoch vom überlagerten Drehimpuls abhängig sei. Aber jetzt ergab sich die Frage: Ist das Superpositionsprinzip überhaupt jemals experimentell überprüft worden? Ist es vielleicht nur eingeführt worden, weil man an die Richtigkeit der NEWTON’schen Axiomatik glaubte? Ist es vielleicht lediglich ein ungeprüftes mathematisches Axiom oder gar ein wissenschaftliches DOGMA?

Weitere Recherchen führten zu dem Ergebnis: Das Superpositionsprinzip ist für diesen Anwendungsfall nie experimentell überprüft worden. Es ist auch aus mathematischen Gründen hier nicht anwendbar, da die Rotation (Drall, Drehimpuls) ein nichtlinearer Vorgang ist.

In dem bei WALKER (1990) zitierten Buch von MAGNUS (1965) heißt es (Zitat von Seite 11, Mitte).

„Neben seinen Drehbewegungen kann ein Kreisel auch Fortschreitbewegungen ausführen, bei denen er sich längs irgendeiner Bahn im Raum fortbewegt – man denke zum Beispiel an die Taumelbewegungen eines rotierend geworfenen Diskus. Die Physik lehrt nun, daß die Drehbewegungen um den Schwerpunkt eines Körpers von den Fortschreitbewegungen getrennt untersucht werden können.“

Merkwürdigerweise sagt MAGNUS in diesem Buch nichts darüber aus, ob und wodurch die Feststellung: „Die Physik lehrt nun . . .“ theoretisch fundiert ist, obwohl seine übrigen Ausführungen eine große theoretische Präzision erkennen lassen.

In dem späteren Buch MAGNUS / MÜLLER (1987) heißt es auf S. 216, letzter Absatz, bis S. 217, erster Abs. (Zitat):

„Bei vielen Bewegungen . . . . darf man sich die Gesamtmasse eines Systems im Massenmittelpunkt konzentriert vorstellen („Punktmasse“) und kann dessen Bewegungen mit Hilfe des Impulssatzes (6.14) oder des Schwerpunktsatzes (6.15) berechnen. In allgemeinen Fällen müssen jedoch Impulssatz und Drallsatz gemeinsam verwendet werden, da die Dehbewegungen dann mit den Bahnbewegungen des Massenmittel-punktes verkoppelt sind.“

Diese Aussage führt bei Anwendung der Kreiselgesetze auf Himmelskörper zu der Erkenntnis:

Maßgebend für die Bewegungsbahn von sich drehenden Himmelskörpern, die frei von äußeren Kräften sind, ist sowohl der Anfangs-Impuls als auch der Anfangs-Drehimpuls (beides sind Vektoren!). Eine Geradlinigkeit dieser Bahn ist im allgemeinen nicht gegeben. (Ausnahme: Drehachse zeigt in Richtung der Schwerpunktsbewegung, Prinzip des Dralles bei Artilleriegeschossen). Die Kreis- und Ellipsenbahnen von Planeten und Mond benötigen keine Fernkräfte, die – ggf. mittels eines sogenannten „Äthers“ – über kosmische Entfernungen übertragen werden. Attraktionskräfte (gemäß heute gängiger Lehrbuch-Darstellungen) nach dem NEWTON’schen Gravitationsgesetz

F	=    G · (M · m) / r²
mit    F	=    Attraktionskraft
G	=    Gravitationskonstante
M    und    m	=    beteiligte Massen eines Zweikörpersystems
r	=    Abstand der Schwerpunkte der Massen M und m

erweisen sich als Fiktionen, die mit der Realität unvereinbar sind. Die krummlinigen Bahnen von Himmelskörpern sind daher weder abhängig von der Größe einer zentralen Masse M noch abhängig von dem Abstand r der beteiligten Massen. Eine zentrale Masse – zentrisch oder exzentrisch – kann also vorhanden sein, sie kann aber auch fehlen.

Newton selbst schrieb (Zitat aus SZTATECSNY 1968, S. 2 unten bis S. 3):

„Es ist tatsächlich unbegreiflich, wie unbeseelte, unvernünftige Materie ohne die Vermittlung von irgend etwas anderem, welches nicht materiell ist, auf andere Materie wirken und auf dieselbe ohne gegenseitige Berührung wirken könne, wie es geschehen müßte, wenn die Gravitation in dem Sinne von Epikur der Materie wesentlich und inhärent und anerschaffen sein sollte, so daß ein Körper auf einen anderen wirken könnte, auf die Entfernung hin durch den leeren Raum, ohne die Vermittlung von irgend etwas, durch welches ihre Aktion und ihre Kraft von einem zum andern geleitet werden könnte, das ist nach meinem Dafürhalten eine so große Absurdität, daß ich glaube, kein Mensch, welcher in philosophischen Dingen eine genügende Denkfähigkeit hat, jemals darauf verfallen kann.“

Diese kritischen Äußerungen NEWTONs beruhen auf der Tatsache, daß er sich selbst im wesentlichen nur für den mathematischen Teil seiner Untersuchungen verantwortlich fühlte. Denn die physikalischen Hypothesen dazu, vor allem die Hypothese einer allgemeinen, von 1/r² abhängigen Gravitationskraft, hatte ihm der in London lebende Physiker Robert Hooke geliefert. Hooke hatte während seiner Tätigkeit als Sekretär der Royal Society von 1677 bis 1681 verschiedene Leute, u. a. auch Newton, für seine Vorstellung von einer allgemeinen Gravitationskraft zu interessieren versucht. Newton nahm die in der Anregung von Hooke enthaltene mathematische Herausforderung an. Er war offenbar der einzige im Kreis der an mathematischen, astronomischen und physikalischen Fragen interessierten Mitglieder der Royal Society, der dieser Aufgabe gewachsen war (vgl. hierzu SCHNEIDER 1987, S. 96, letzter Abs., bis S. 97, erster Abs., und IHMIG 1989, S.27, Mitte).

Der Grund dafür, daß diese kritischen Äußerungen Newtons viele Jahre unbeachtet blieben, liegt darin, daß Newtons „Principia mathematica philosophiae naturalis“ von 1687 von begeisterten Anhängern Newtons, vor allem von VOLTAIRE, uminterpretiert und so auf dem europäischen Festland popularisiert wurden. Dies geht sehr klar aus einer Studie von BORZESZKOWSKI und WAHSNER (1980) hervor. Dort heißt es (Zitat von S. 5):

„Durch den Vergleich NEWTONscher und VOLTAIREscher Schriften wird belegt, daß VOLTAIRES Popularisierung der klassischen Mechanik zugleich aber auch eine Uminterpretation war, die der Zeit entsprach und das Weltbild entscheidend prägte. Da die Mechanik in dieser, ihren physikalischen Inhalt inadäquat rezipierenden, philosophischen Auslegung verbreitet wurde, entstand die Meinung, sie sei mechanistisch.“

Die Ursache der fast 300 Jahre alten Fehlinterpretationen liegt begründet in NEWTONs 1. Axiom: „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.“ Dieses Axiom wurde damals als bewiesenes Naturgesetz betrachtet und in die mathematischen Ansätze NEWTONs als Prämisse eingeführt. Man erkannte noch nicht, daß es sich um ein Axiom im Sinne einer rein definitorischen Festsetzung handelte. Denn es hatte sich bei Experimenten auf der (kugelförmigen) Erde – im Rahmen der damaligen Meßgenauigkeiten – vielfach bewährt. Dieses 1. Axiom stellt jedoch eine einschränkende Axiomatik dar, die nur auf Körper ohne Drehimpuls anwendbar ist.

Ersetzt man jedoch in NEWTONs 1. Axiom den Begriff „Körper“ durch „Körper ohne Drehimpuls“, so löst sich das angesprochene Problem. Denn nun wird ein bewegter Körper mit Drehimpuls durch mindestens zwei gleiche, mit Abstand starr miteinander verbundene Punktmassen P und Q darstellbar, die um den gedachten (fiktiven) Schwerpunkt S rotieren (siehe BILD, die geradlinigen Pfeile deuten Geschwindigkeitsvektoren zum Zeitpunkt t = 0 an, der krummlinige, ausgezogene Pfeil kennzeichnet den Drehsinn).

Punktmassen besitzen definitionsgemäß unendlich kleine Abmessungen und haben daher jeweils für sich den Drehimpuls NULL. Bei Anwendung von NEWTONs 1. Axiom auf beide Punktmassen 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).

NEWTON ging außerdem von der Hypothese aus, daß die „gravitiven“ Kräfte im Kosmos und auf der Erdoberfläche den gleichen physikalischen Ursprung haben. Diese Hypothese können wir weiterhin aufrecht erhalten. Denn unter der oben begründeten Voraussetzung, daß ein kräftefreier Körper im allgemeinen eine krummlinige Bewegungsbahn durchläuft, ergibt sich das irdische Fallen nahezu von selbst, wie Frank D. MARTIN in seinem Buch von 1986: „Die Seele des Kosmos“ zutreffend zum Ausdruck bringt (Zitat von Seite 71, Abs. 2):

„So ist eine bestimmte Mindestgeschwindigkeit erforderlich, um eine Umlaufbahn zu erreichen – ein Fallen zu verhindern -, und eine bestimmte Höchstgeschwindigkeit darf nicht überschritten werden, um ein Entweichen zu vermeiden. Was zählt, ist also die Geschwindigkeit, und keine irgendwie geartete Beschleunigung!“

Unter diesem Aspekt wird auch die „Äquivalenz“ von träger und schwerer Masse zu einer logischen Notwendigkeit. Lediglich die Ursache der krummlinigen Bewegungsbahn hat MARTIN noch nicht richtig erkannt. Diese liegt eindeutig im Drehimpuls begründet, der durch seinen Betrag und seine vektorielle Richtung die jeweilige Krümmung und die Orientierung (vgl. Bemerkung am Schluß des Abschnittes c) der vorliegenden Arbeit) der krummlinigen Bewegunsbahn bestimmt.

Auf der Erdoberfläche wird ein anderer, wesentlicher Aspekt des Drehimpulses deutlich: Für einen auf der Erdoberfläche „ruhenden“, d. h. mit der Erdrotation mitbewegten Beobachter erscheint ein auf der Erdoberfläche„ ruhender“ Körper ohne Rotation, also ohne Drehimpuls. Aus kosmischer Sicht jedoch ist sowohl der Beobachter als auch der betrachtete Körper mit der Erde im 24-Stunden- und Jahres-Rythmus rotierend. Die Rotation eines Körpers ist also – ebenso wie eine lineare Bewegung – eine relative, vom Beobachter abhängige Größe (kognitives Problem). Trägheitskräfte dagegen sind real vorhanden. Beispielsweise fliegt eine zu schnell rotierende Maschine auseinander und zerstört sich selbst, unabhängig davon, wo sich ein Beobachter gegebenenfalls befindet. – Die Untersuchungen zur Realisierung der genannten Hypothese für die Erdoberfläche sind derzeit noch nicht abgeschlossen.

e) Der Glaube an die Weltmaschine

Hier könnte nun der Einwand erhoben werden, die vorstehend entwickelte Auffassung sei unmöglich richtig, da eine Vorausberechnung der Bewegungen der Planeten und anderer Himmelskörper nicht möglich sei. Dies ist aber – entgegen einer weitverbreiteten Meinung – schon mit den überlieferten Gleichungen nicht möglich, da ohne empirisch ermittelte Anfangsbedingungen (Anfangs-Position und Anfangs-Geschwindigkeitsvektor des jeweiligen Himmelskörpers) keine der Bewegungsbahnen berechnet werden kann. Lediglich die Charakteristik einer Kreis- oder Ellipsenbahn (KEPLER-Ellipse) läßt sich im Rahmen eines Zweikörperproblems mit NEWTONs Gleichungen darstellen. Diese Bahn wird jedoch – im Widerspruch zu den Erkenntnissen von KEPLER – bereits bei einem Mehrkörperproblem verfälscht durch die NEWTON zugeschriebene Annahme, daß alle Planeten wechselweise gegeneinander gravitieren sollen. Ferner ist zu berücksichtigen, worauf z. B. HAWKING hinweist (HAWKING 1988, Zitat von S. 212, Mitte):

„Wir können noch nicht einmal exakte Lösungen für die Bewegung dreier Körper in Newtons Gravitationstheorie finden, und die Schwierigkeiten wachsen mit der Zahl der Körper und der Komplexität der Theorie.“

Es wurde seinerzeit von vielen Wissenschaftlern – getragen von dem Glauben an die Göttlichkeit der himmlischen Ordnung – irrtümlich dasjenige als naturgesetzlich angesehen, was in Wirklichkeit lediglich ein Erscheinungsbild langer Zeiträume ist. Vorgänge des täglichen Lebens erlebt der Mensch schon nach kurzer Zeit als nicht konstant ablaufend, weshalb eine kausale Abhängigkeit von äußeren Einflüssen gesucht und formuliert wird. Bewegungsabläufe jedoch, die mehrere Menschenleben scheinbar gleichartig überdauern, werden verständlicherweise als unveränderlich und daher einem höheren Gesetz unterworfen angesehen.

Schon wiederholt ist der „Glaube an die Weltmaschine“ als verfehlte Wissenschaftsauffassung herausgestellt worden, vergleiche z. B. DINGLER (1932), THÜRING (1967), TETENS (1984), FAHR (1992).

THÜRING (1967) schreibt (Zitat von S. 250, 2. Abs.):

„Wenn das axiomatische und somit nicht ontologische, sondern methodologische Wesen der Geometrie, der Kinematik und Mechanik, insbesondere der Gravitation und der Kausalität einmal allen geistigen Menschen bewußt geworden sein wird, wenn man eingesehen haben wird, daß das alles keine „Naturgesetze“ sind, sondern u. a. den Charakter von Herstellungsanweisungen für den Bau von Meßgeräten oder für die Realisierung bestimmter Grundformen und Ungestörtheiten hat, wenn es allen einmal bewußt geworden sein wird, daß das „Kausalitäts-Gesetz“ weder im Atomaren noch im Makroskopischen (Astronomischen) eine ontologische, d.h. von unserem Willen unabhängige Existenz besitzt, dann wird der Gedanke, das Weltall werde von ewigen und allgemeinen, ihm innewohnenden Gesetzen beherrscht und gelenkt – mag dieser Gedanke zunächst noch so erhaben erscheinen – auf die Liste der großen Menschheits-Irrtümer geschrieben und das Gespenst der Großen Weltmaschine wird restlos zerstört sein. Freilich, Vorurteile – und der Empirismus ist ein solches – haben ein zähes Leben. Wer jedoch die alte Maschinen-Auffassung der Welt überwunden haben wird, der wird auch von der Gefahr befreit sein, sich selbst und seine Mitmenschen als Automaten betrachten zu müssen.“

Durch die vorstehend begründete Beschreibung der kosmischen Bewegungen mittels Impuls und Drehimpuls zusammen mit der Widerlegung der MAXWELL’schen Elektrodynamik (FRIEBE 1994, 1995) wird der Begriff der absoluten Ruhe (beispielsweise: absoluter Raum, physikalischer Raum, Ätherhypothese, Neutrinomeer, Tachyonenfeld, Quantenvakuum) überflüssig. Das Relativitätsprinzip der klassischen Mechanik ist zwanglos anwendbar, wie es EINSTEIN ursprünglich vermutet hatte (Zitat EINSTEIN 1905, S. 891, Abs. 2):

„Beispiele ähnlicher Art, sowie die mißlungenen Versuche, eine Bewegung der Erde relativ zum „Lichtmedium“ zu konstatieren, führen zu der Vermutung, daß dem Begriffe der absoluten Ruhe nicht nur in der Mechanik, sondern auch in der Elektrodynamik keine Eigenschaften der Erscheinungen entsprechen, sondern daß vielmehr für alle Koordinatensysteme, für welche die mechanischen Gleichungen gelten, auch die gleichen elektro-dynamischen und optischen Gesetze gelten, wie dies für die Größen erster Ordnung bereits erwiesen ist. Wir wollen diese Vermutung (deren Inhalt im folgenden „Prinzip der Relativität“ genannt werden wird) zur Voraussetzung erheben . . . . “

Literatur

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