Gespenstische Fernwirkungen: Was stimmt nicht mit der Lichtgeschwindigkeit?

Von Mario Wingert (Mai 2019)

Die Konstante c ist für die Physik von grundlegender Bedeutung, und wir alle wissen, dass es sich dabei heute um ein Naturgesetz per Dekret handelt, von Menschen gemacht (verabschiedet 1983). Die spezielle Relativitätstheorie in Frage zu stellen - genauer, die übliche Interpretation von c, die noch von Maxwell stammt - scheint für einen professionellen Physiker dennoch sehr riskant. Doch quantenphysikalische Experimente werfen nun einmal die Frage auf, was mit der Definition der Lichtgeschwindigkeit nicht stimmt, und ob es noch eine andere Möglichkeit gibt, die Konstante c zu interpretieren. Der Erste, der sich bewusst war, dass es durchaus einen Konflikt zwischen der speziellen Relativitätstheorie, Maxwells expandierender Lichtkugel und lokalen quantenartigen Wechselwirkungen geben könnte, war übrigens Einstein (1909, 1927 und 1935). Einstein nannte das "gespenstische Fernwirkung". 

John Bell machte 1964 deutlich, dass tatsächlich ein Konflikt existiert, der nicht nur für die Impulserhaltung (Einsteins Beispiel in der "Debatte" mit Bohr 1935), sondern auch für magnetische Spin-Messungen auf beiden Seiten des Systems gilt (in meiner Interpretation sind das die beiden entgegengesetzten Zweige oder Zellen eines ganzheitlich verzweigten oder geteilten, physikalisch zusammenhängenden Feldes). Wie Bell zeigen konnte, erzeugen Messungen des Spins auf einer Seite unmittelbar den exakt entgegengesetzten Spin auf der anderen Seite, unabhängig von Zeit und Entfernung. Das wird instantane Fernwirkung genannt und gleicht damit der Newtonschen Gravitation, widerspricht aber der Definition von c, also der konstanten Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichts und damit der speziellen und allgemeinen Relativitätstheorie. Deshalb sprechen Physiker sehr sorgfältig nur von mathematischen "Korrelationen" - was aber nichts daran ändert, dass es zwischen beiden Seiten einen experimentell nachgewiesenen physikalischen Zusammenhang gibt, den die Theorie nur noch nicht versteht (Spin, Verschränkung, Teleportation).

Eine solche Wechselwirkung ist physikalisch nicht erklärbar, solange Einsteins Annahme gilt, dass es sich bei den beiden Teilen des Systems um lokale Einheiten (Körper, Partikel, Objekte oder auch Wellenfronten) handelt, die räumlich voneinander getrennt sind. Räumlich getrennt bedeutet in der speziellen Relativitätstheorie, dass ein Objekt ausserhalb des Lichtkegels des anderen liegt, dass zwischen ihnen also ein Abstand existiert, der vom Licht, das sich immer mit konstanter Geschwindigkeit ausbreitet, nicht unmittelbar überwunden werden kann. Anders ausgedrückt: Nach Einstein kann es keine physikalischen Wirkungen geben, die sich schneller als Licht ausbreiten oder instantan, also zeitunabhängig, wirken können.

Nun erinnere man sich daran, dass Minkowskis Lichtkegel nur ein anderes Wort für Maxwells Lichtkugel ist, die mit der Geschwindigkeit c expandiert. Worauf bezieht sich diese Expansionsgeschwindigkeit? Die Geschwindigkeit c bezieht sich auf den Weg, den ein Lichtstrahl pro Zeiteinheit zurücklegt. Bezogen auf die expandierende Lichtkugel - die kugelförmige Wellenfront - bezieht sich eine solche Definition also auf den Radius der Kugel. Man stellt sich also vor, dass sich alle Strahlen oder Wellennormalen vom Ursprung mit der Geschwindigkeit c entfernen. Nach einem Jahr hat die Lichtkugel einen Durchmesser von 2 c, was nach Einstein ausschliesst, dass die beiden entgegengesetzten Wellenfronten noch miteinander wechselwirken können, oder eine physikalische Einheit bilden! Das führt zu einem physikalischen Problem für die Feldvorstellung: Greifen wir uns zwei in entgegengesetzte Richtungen laufende Lichtstrahlen heraus, können sie keinen physikalischen Zusammenhang mehr haben, da sie sie sofort räumlich getrennt wären (im Sinne von Einstein). Das gilt unmittelbar ab Emission, unabhängig vom gewählten Zeitmaßstab oder der Entfernung zwischen den Strahlspitzen oder Wellenfronten. Das zeigt, dass ein möglicher physikalischer Zusammenhang weder im Kugelbild, noch im Strahlenbild abgebildet werden kann. Die gegenüberliegenden Wellenfronten der Kugel oder zwei entgegengesetzte Strahlspitzen haben immer einen Abstand von 2 c, können also nicht mehr miteinander wechselwirken oder sich gegenseitig beeinflussen. Folglich ist die Vorstellung, dass die Kugelwellenfront ein zusammenhängendes Feldkontinuum oder eine ebene Welle bildet, mit dieser Definition der Lichtgeschwindigkeit nicht wirklich verträglich.

Wenn ein System mit entgegengesetztem Spin aber durch nichtmechanische, also ganzheitliche Feldteilungs- oder Verzweigungsprozesse entsteht, z.B. durch partielle Reflexion, bei der ein Lichtstrahl an einer Glasscheibe oder einem halbversilberten Spiegel geteilt wird, oder durch parametrische 'down-conversation' (was durch die Korrelation und Verschränkung der beiden neu entstehenden Photonen, Lichtstrahlen oder Wellenfronten praktisch bereits bewiesen wird), haben wir es mit einer inneren Struktur der Lichtkugel bzw. mit einem verzweigten Strahlsystem zu tun. Diese Teilungsprozesse wurden bisher nur als mechanische Zersplitterung oder Separierung fehlgedeutet, insbesondere im atomistischen Partikelbild. Aber auch im Wellenbild wird der physikalische Zusammenhang zwischen den beiden Bestandteilen - Spin und Verschränkung genannt - nicht deutlich. Und da die spezielle Relativitätstheorie ihre Wurzeln bei Maxwell hat und die Quantenphysik in ihr noch keine Rolle spielt, entgeht auch ihr das eigentliche Problem: Statt einer Trennung im Sinne der Mechanik haben wir es mit einer inneren Struktur des elektromagnetischen Feldes zu tun - und nichts ist separiert oder ausserhalb des Lichtkegels. Wir haben es mit einem in sich selbst strukturierten ganzheitlichen Feldsystem zu tun, dessen physikalische Eigenschaften maßstabsunabhängig sind:

Das gesamte Feldsystem ist nach der Teilung in sich selbst entgegengesetzt strukturiert (verzweigt), was mit den Worten Spin und entgegengesetzte Magnetfeldrichtungen bisher nur beschrieben, aber noch nicht wirklich physikalisch verstanden werden konnte. Der Verzweigungsprozess erklärt die Eigenschaften Spin und Verschränkung nun physikalisch: Spin ist die Folge und physikalischer Ausdruck einer enantiomorphen Feldverzweigung, die zu einer Polarisation des Feldes im wahrsten Sinne des Wortes führt - im Strahlenbild zu zwei Strahlzweigen mit exakt entgegengesetzten Magnetfeldvektoren, im Kugelbild zu zu einer ganzheitlichen Teilung, die zwei Feldzellen mit entgegengesetzten Magnetfeldvektoren hervorbringt. Dieser Teilungs- und Verzweigungsprozess erzeugt also ein strukturiertes Magnetfeld, dass in sich selbst entgegengesetzt beschaffen ist, aber ein physikalisch zusammenhängendes Ganzes bleibt. Geometrisch-anschaulich kann man sich das ganz einfach als Verzweigungs- oder Zellteilungsprozess vorstellen, wobei die Zweige und Zellen eine entgegengesetzte physikalische Natur ausbilden. Genau das ist ein en-antio-morphes System, es zeigt eine Anti- oder Spiegelsymmetriestruktur.

Und genau dieser Verzweigungsprozess ändert nun auch die Definition von c. Wir haben es mit einer bidirektionalen Bewegung zu tun, die aus zwei Komponenten besteht, die sich in entgegengesetzte Richtungen voneinander entfernen. Die Konstante c ist dann nur noch eine relative Geschwindigkeit zwischen den beiden Strahlen oder Wellenfronten eines expandierenden, aber verzweigten Feldes. Der Abstand, auf den sich die Geschwindigkeitsdefinition und jede praktische Messung der Lichtgeschwindigkeit bezieht, ist dann doppelt so gross wie bei Maxwell und Einstein. Die Definition der Geschwindigkeit einer expandierenden Lichtkugel oder von zwei sich in entgegengesetzte Richtungen entfernenden Lichtstrahlen bezieht sich auf die gesamte Strecke s = 2 r, also auf den Durchmesser d, und nicht auf den Radius oder nur theoretisch mögliche Ein-Weg-Strecken. Das könnte einen disruptiven Effekt auf unsere astrophysikalischen Vorstellungen haben: Nach einem Jahr beträgt der Durchmesser der Lichtkugel dann nicht 2 Lichtjahre, sondern nur eins! Echte Messungen der Lichtgeschwindigkeit sind übrigens immer Zwei-Wege-Messungen und damit auch Messungen an echten bidirektionalen physikalischen Systemen, was bedeutet, dass auch Reflexionen am Vollspiegel ein verzweigtes, physikalisch zusammenhängendes Lichtstrahlen- oder Feldsystem erzeugen müssen (wie am halbdurchlässigen Spiegel). Ein-Weg-Messungen und Ein-Weg-Definitionen der Lichtgeschwindigkeit c sind also nur gedachte, theoretische Vorstellungen, die experimentell nicht nachweisbar sind und auch noch nie durchgeführt wurden: Sie würden die Existenz einer absoluten Zeit voraussetzen, die zusätzlich durch bereits synchronisierte Uhren am Emissions- und Absorptionspunkt verifiziert werden müsste.

Der eigentliche Name der so genannten Speziellen Relativitätstheorie war übrigens "Zur Elektrodynamik bewegter Körper", ihr eigentlicher Anlass die fehlende Relativität der Bewegung in Maxwells theoretischer Darstellung des Induktionsexperiments von Faraday. Was verbirgt sich dahinter? Physikalisch spielt es keine Rolle, ob der Magnet oder die Leiterschleife bewegt wird, oder beide relativ zueinander. Der physikalische Effekt - die Induktionsspannung, die Erzeugung eines elektrischen Feldes mit zwei entgegengesetzten Ladungen, also die elektrische Polarisation im leitenden Draht - ist immer derselbe. Das bedeutet, dass der entscheidende Parameter die Änderung der Entfernung (pro Zeiteinheit) ist und dass das physikalische Modell symmetrisch (invariant) in Bezug auf die Frage sein muss, welches Teil dabei bewegt wird. Dies ist in Maxwells Feldmodell jedoch nicht der Fall: Die theoretische Beschreibung hängt davon ab, ob der Magnet oder der Leiter bewegt wird. Der junge Einstein (gerade 19 Jahre alt) war der erste, der darin einen tiefen Widerspruch erkannte, aber selbst nach sieben Jahren harter privater Forschung zwischen 1898 und 1905 konnte er den Fehler nicht finden - weder in Maxwells Feldtheorie noch in Lorentz' Darstellung, die auch die Bewegung von Elektronen (als Körper im Sinne der Mechanik gedacht) und die Theorie des elektrischen Stromes mit einbezog. So entschied er sich im Frühjahr 1905, die Maxwell-Hertz-Lorentz-Theorie mathematisch als gegeben hinzunehmen und konzentrierte sich statt dessen auf eine Theorie der Messungen mit Hilfe der konstanten Geschwindigkeit des Lichts, die sich auf Uhrensynchronisationen und Längenmessungen zwischen zwei getrennten Systemen beziehen - immer unter der Annahme, dass c eine absolute Ein-Weg-Geschwindigkeit ist. Die Konsequenzen sind gut bekannt, wenn auch physikalisch nicht gerade einleuchtend. Und Maxwell's theoretische Feldbeschreibung der Induktion hängt nach wie vor davon ab, welches Teil bewegt wird - als handle es sich hier um zwei vollkommen verschiedene Naturphänomene.

Das aber kann nicht sein, was jeden jungen Physiker dazu anregen sollte, tief, selbständig und vor allem anders zu denken - wie der junge Einstein. An dieser Stelle verbirgt sich offensichtlich ein tiefes, wenn nicht gar entscheidendes Problem der Physik, das seit langem auf eine Lösung wartet. Der junge Einstein hatte einen möglichen Weg gefunden, ein Modell zu entwickeln, das die Relativität der Bewegung respektiert, aber einige Fragen offen gelassen, was bedeutet, dass sich an dieser Weiche der Erkenntnis durchaus noch eine andere oder verbesserte Interpretation entfalten könnte. Maxwell's phantasiereiche Konstruktion mit "Eierbecher" und "Verschiebungsstrom" gilt zwar als physikalisch akzeptabel und als fester Bestandteil der Theorie, war aber ursprünglich nur ein mathematisches Hilfskonzept, um Lücken im physikalischen Verständnis zu schließen. Dieses mathematisch-geometrische Modell sollte, wie jedes Modell oder jede Theorie in der Physik, nicht mit der absoluten Wahrheit oder der wahren Beschaffenheit der Realität verwechselt werden, die niemals perfekt bekannt sein kann. Folglich wird es immer Möglichkeiten für neue Entdeckungen und Verbesserungen unserer Vorstellungen geben. Und die verbergen sich hinter Widersprüchen und Unklarheiten. Im Zuge weiterer Recherchen kann der junge Physiker dann feststellen, dass zumindest Richard Feynman dieser Darstellung des Problems zugestimmt hätte - allerdings war er nicht sehr optimistisch, was eine mögliche Lösung und damit eine neue Entdeckung betrifft: "Doch in unserer Erklärung der Regel haben wir für die beiden Fälle zwei völlig unterschiedliche Gesetze verwendet... Wir kennen keine andere Stelle in der Physik, an der ein so einfaches und genaues Grundprinzip für sein wirkliches Verständnis eine Analyse mit Hilfe zwei verschiedener Phänomene erfordert. Üblicherweise findet man, dass eine so schöne Verallgemeinerung auf einem einzigen tiefen, zugrundeliegenden Prinzip beruht. Dennoch, in diesem Fall scheint es keine so tiefgreifende Implikation zu geben. Wir müssen die "Regel" als kombinierte Wirkung von zwei völlig unterschiedlichen Phänomenen verstehen." (Feynmans Vorlesungen über Physik, Band 2, No.17 Die Gesetze der Induktion, 1964). Was Feynman ausdrückt, kann man auch direkter sagen: Wir haben das Phänomen der Induktion noch nicht ganz verstanden. Deswegen sind wir gezwungen so zu tun, als hätten wir es mit zwei verschiedenen Feld-Interaktionen und getrennten Bezugssystemen zu tun. Üblicherweise führt ein solcher unlogischer Konflikt zur Entdeckung eines neuen physikalischen Prinzips und damit zur Vereinheitlichung und Vereinfachung der Theorie. Aus diesem Grund sollten wir an dieser Stelle deutlich optimistischer als Feynman sein: Die Probleme der Feldtheorie sind offensichtlich noch nicht vollständig geklärt, so dass die Entdeckung eines neuen physikalischen Prinzips zu erwarten ist, welches auch Auswirkungen auf die Interpretation des elektrischen Stroms und Einsteins spezielle Relativität haben dürfte. Wie bei Einstein geht es beim Verständnis der elektromagnetischen Induktion um eine neue Kinematik, um ein neues Modell der Bewegung - allerdings nicht nur um relative Bewegung im Sinne der Mechanik, sondern vor allem um nicht-mechanische Bewegung im Sinne von Strukturveränderung. Wenn es wahr ist, dass "die relativistische Kinematik unabhängig von den Theorien ist, die zu ihrer Formulierung führten" (John Stachel), sollte es sogar möglich sein, die Einstein'schen Verkürzungen der Maßstäbe und die Dehnung der Zeit als  physikalische Effekte von Feldverzweigungs- und Verschmelzungsprozessen zu verstehen und damit auch neu zu interpretieren.

Maxwells Definition der Lichtgeschwindigkeit, die sich auf hypothetische Ein-Weg-Messungen und den Radius der expandierenden Lichtkugel bezieht, wurde von Lorentz beibehalten und nachfolgend von Einstein unverändert übernommen. Und das bringt uns zurück zur Interpretation der Konstante c, wie sie ursprünglich von Weber und Kohlrausch 1854 gegeben wurde. Sie hatte Maxwell 1861 so sehr inspiriert, dass er daraus schlussfolgern konnte, dass elektromagnetische Phänomene und Licht gleicher Natur sein müssen… 

In der Interpretation von Weber und Kohlrausch war die Konstante c ein spezieller Symmetriezustand, der die bidirektionale Bewegung von zwei entgegengesetzten halben elektrischen Einheitsladungen und ihre relative Geschwindigkeit charakterisiert. Das sind elektrische Ladungsmengen, plus und minus, die durch akribische elektrostatische Messungen exakt bestimmt werden konnten. Die bidirektionale Bewegung entgegengesetzter elektrischer Ladungen war das Modell des elektrischen Stroms seit Ampère. Viele Physiker wissen heute nicht mehr, dass die Festlegung einer Vorzugsrichtung des elektrischen Stroms für Ampère ausdrücklich nur eine sprachliche Vereinfachung und kein physikalisches Modell war, und dass er die Feldtheorie Faradays ablehnte, da er alles auf direkt über die Entfernung wirkende Kräfte im Sinne Newtons zurückführen wollte. Die beiden halben Einheitsladungen bewegen sich im Modell von Weber und Kohlrausch in entgegengesetzte Richtungen mit jeweils 1/2 c, ihre relative Geschwindigkeit ist c. In diesem  Bewegungszustand wirken weder elektrische noch magnetische Kräfte zwischen den beiden entgegengesetzten elektrischen Ladungen, sie heben sich auf. Maxwell machte aus der bidirektionalen Bewegung eine gerichtete Ein-Weg-Bewegung, indem er annahm, dass der elektrische Strom nur durch eine Art von elektrischer Ladung hervorgerufen wird, die sich nur in eine Richtung bewegt (er bezweifelte die reale Existenz positiver Ladungen; sie wurden als fehlende negative Ladungen betrachtet). Er erkannte, das Webers c genau der Hälfte der von Fizeau und Focault optisch gemessenen Lichtgeschwindigkeit entsprach (das waren Zwei-Wege-Spiegelexperimente), multiplizierte Webers Konstante c mit 2 und interpretierte das neue, verdoppelte c dann als Ein-Weg-Geschwindigkeit des Lichts. Und das ist die eigentliche Wurzel des Problems der fehlenden Symmetrie der Bewegung in der Maxwellschen Feldinterpretation von Faradays Induktionsexperiment, die der junge Einstein nicht finden konnte. Maxwell's Induktionsproblem ist bis heute nicht gelöst, und das bedeutet, dass eine alternative Interpretation mit hoher Wahrscheinlichkeit möglich ist. Das ist eine ermutigende Einsicht, denn sie verspricht Fortschritte in der Physik. Interessant ist auch, dass es erst Mitte der 1920er Jahre gelungen sein soll, zu beweisen, das der elektrische Strom eine bevorzugte Richtung hat. Doch auch an dieser Stelle könnten sich unsere physikalischen Vorstellungen noch ändern.

Auf jeden Fall können wir nun schlussfolgern, dass das Feldmodell einen Feldzustand einschließen muss, der durch einen ganzheitlichen Teilungs- und Verzweigungsprozess des elektromagnetischen Feldes erzeugt wird und  entgegengesetzte Ladungen, Spin und Verschränkung hervorbringt - d.h. enantiomorphe Feldeigenschaften. Es gibt also keine mysteriösen Fernwirkungen, sondern nur ein zusammenhängendes Feldsystem, das praktisch immer "lokal" und "ganzheitlich" ist, unabhängig von der Komplexität der inneren Struktur oder Ausdehnung. Klar wird damit auch, dass sich eine expandierende Lichtkugel überhaupt nicht im engeren Sinne der Mechanik bewegt, da sie ihren Ort nicht verändert. Statt dessen haben wir es mit einer anderen Art von Bewegung zu tun - einer Strukturveränderung innerhalb des Feldsystems bei Interaktionen. Weber und Kohlrausch haben nicht an Felder gedacht, aber wir können, und wir müssen.

(05.05.2019) *Mehr dazu in meinem neuen Buch (englisch, aktualisierte deutsche Neuauflage folgt evtl. später):

Quantum Top Secret - The Solution of the Quantum Enigma

The Dramatic Downfall of the Atomic World View. Call for a Revolution in Science

To be published in September 2019. The corresponding chapter and further reading samples will soon be published online on this website. Criticism, comments and hints are very welcome. Pre-order your book here: