Ersterscheinung 13.01.2015

Jan Peter Apel

Die Wahrheit des Experiments
von Hafele und Keating



1971 maßen Hafele und Keating die Zeitdilatationen in Flugzeugen. Im Nachhinein gesehen unglücklicherweise (oder glücklicherweise?) zweimal, einmal bei der Umrundung der Erde in ihrer Drehrichtung, also nach Osten, und einmal in Richtung Westen. Die Ergebnisse waren klar und unzweideutig: in Richtung Osten ergab sich ein Zeitrückstand der Uhren von ca. 50 Nanosekunden, in Richtung Westen dagegen einen Zeitvorlauf von ca. 140 ns. Diese Ergebnisse wurden so nicht erwartet und sind völlig unverständlich. Zwei Jahre nach dem Experiment schrieb Johannes von Buttlar in "Reisen in die Ewigkeit", daß das wohl irgend etwas mit der Erddrehung zu tun haben müsse. Dieses unverständliche Ergebnis der Messungen kann natürlich nur etwas damit zu tun haben, daß sich die Erde dreht. Das ist ja so offensichtlich, daß es ein jeder merkt. Wenn es da ein Problem gibt, dann anders herum: wie das denn nichts mit der Erdrehung zu tun hätte.

Daß die sich drehende Erdoberfläche nicht als Bezugspunkt für die Naturerkundung genommen werden kann, war die Geburt der modernen Physik und führte zur Erkenntnis, daß sich nicht die Sonne um die Erde, sondern die Erde um die Sonne dreht. Warum also wird für dieses Experiment schon wieder die Erdoberfläche als Bezugspunkt genommen?

Zugegeben, die Erdoberfläche selbst wurde gar nicht genommen, sondern nach dem Verständnis der Relativitätstheorien das Objekt Vergleichsuhr, 
dem gegenüber sich die Flugzeuge relativ bewegen. Das ist so zu verstehen, als ob es die Erde gar nicht gäbe, sondern nur die Vergleichsuhr und die Flugzeuge. Das ist nämlich der Wesensinhalt der speziellen Relativitätstheorie: es gibt immer nur zwei Objekte, die sich gegenseitig als Bezugspunkte ansehen. Der Slogan: alles ist relativ. Das Problem ist nun, daß die Voraussage aus dieser Theorie nicht eingetreten ist, obwohl eine solche Aussage das einzige ist, was die spezielle Relativitätstheorie überhaupt nur kann.

Nun ist das Problem ja eigentlich gar kein Problem. Wenn eine Theorie nicht zu einem erwarteten Meßergebnis führt, kann ja nicht die Wirklichkeit falsch sein, sondern nur die Theorie und man
muß dann halt die richtige suchen. Genau das darf bei den Relativitätstheorien aber nicht gemacht werden, da diese ja von Gott, Pardon, von Einstein, stammen. Damit gibt es zwei Möglichkeiten: man lebt einfach weiter mit dieser "Religion" wie schon Jahrtausende zuvor mit der Religion einer uns umkreisenden Sonne und frisiert das Experiment-Ergebnis zur Theorie hin um oder man macht Revolution wie Galilei und sucht die Wahrheit. Tun wir letzteres.

Es beginnt mit der Klärung dessen, was Zeitdilatation überhaupt ist.
Zeitdilatation ist, wie einige andere physikalische Größen auch, eine noch nicht definierte physikalische Größe. Wie das?
Weil unklar ist, was Zeit ist. Was ist Zeit? Ihr Gang, also die Geschwindigkeit ihres Ablaufs, oder eine Uhrzeit-Differenz zwischen z. B. jetzt und nachher?
Der Unterschied zwischen beiden wird klarer, wenn er mit einer Reisegeschwindigkeit und einer Reisedauer
verglichen wird.

Wir definieren: Zeitdilatation ist die Verlangsamung der Zeitablaufgeschwindigkeit, des Uhrenganges.

Nur mit in der Physik unabdingbaren Spezifizierungen, expliziten, also alles andere auschließenden, Definitionen, läßt sich richtig weiter denken. Für die Zeitdilatation ergibt dieses Denken, daß es keine Minuswerte gibt. Das ist so wie bei der absoluten Temperatur (°K), die auch nicht tiefer als null, also nicht tiefer als minus 273 Grad Celsius gehen kann. Trotzdem können "Minus"-Temperaturen gemessen werden, nämlich als Differenztemperaturen mittels sogenannter Thermoelemente. Werden also Minus-Zeitdilatationen gemessen, so kann es sich nur um ähnliche Messungen wie bei den Differenztemperaturmessungen halten. Das ist sogar einsichtig, da eine Beobachtung aus einem sich schneller bewegenden Objekt mit höherer Zeitdilatation die Uhr in einem langsamer bewegenden Objekt mit geringerer Zeitdilatation natürlich schneller laufen sieht. Das ist z. B. in den Raumstationen und den GPS-Satelliten der Fall, in denen die Uhren
schneller laufen als auf der Erde. Von ihnen aus gesehen dreht sich die Erde schneller (von den GPS-Satelliten aus gesehen jeden Tag um ca. 10 Kilometer).

Beim Hafele-Kaeting-Experiment wurden nicht die Zeitdilatationen als Laufgeschwindigkeiten der Uhren in den Flugzeugen gemessen, sondern die z
eitdilatationsbedingten Differenzen der Zeitdauern, der Flugzeiten. Gegenüber der Erdoberfläche sind die Flugzeiten, in denen sich die Zeitdilatationen der Uhren in den Flugzeugen zum Nach- bzw. Vorgehen am Flugende aufaddieren, gleich lang. Das Meßergebnis paßt aber nicht dazu! Nun hat schon einmal jemand folgendes festgestellt: Entspricht ein Meßergebnis den erwartungen, hat man eine Messung gemacht. Wenn nicht, eine Entdeckung. Die Entdeckung beim Hafele-Keating-Experiment ist: weder sind die absoluten Werte der Zeitabweichungen gegenüber der Vergleichsuhr gleich, noch gar deren Vorzeichen. Dieses Ergebnis liegt vollkommen außerhalb dessen, was die spezielle Relativitätstheorie voraus sagt, nämlich: gleiche Zeitabweichungen in Höhe und Vorzeichen.

Was ist da los?

Folgen wir mal nicht der speziellen Relativitätstheoire, sondern Galilei und trennen uns von der Karussell-Erdoberfläche. Wir gehen aber nicht zur Sonne, sondern
gleich noch einen Schritt weiter zum Fixsternhimmel.

Was sehen wir von diesem Bezugspunkt?
Zunächst, daß sich die Vergleichsuhr 
mit ihrem Standort um die Erdachse dreht. 
Dann, daß sich das Flugzeug, das nach Osten fliegt, noch schneller und das Flugzeug nach Westen langsamer als die Vergleichsuhr um die Erdachse drehen.
Diese 
vom Sternenhimmel aus zu sehenden absoluten Geschwindigkeiten scheinen nun die zu sein, die für die Zeitdilatationen aller beteiligten Uhren gelten. Prüfen wir das nach.


Die Animation zeigt die Erdumrundungen der Flugzeuge von ihrem Startort bis wieder zum Startort. Die Bewegungen der Flugzeuge gegenüber der Erdoberfläche werden mit dem blauen Pfeil als Winkel zwischen dem Startort und den momentanen Flugzeugpositionen aufgezeigt. Die absoluten Bewegungen der Flugzeuge beziehen sich auf die Zeichenebene, die den fixen Sternhintergrund repäsentiert. 
In der Animation sind also gleichzeitig die absoluten Bewegungen der Flugzeuge und ihres Startortes und die relativen Bewegungen gegenüber dem mit drehenden Startort zu sehen, blaue Pfeile. Die Flugzeuge haben eine Geschwindigkeit vom halben Betrag der Umfangsgeschwindigkeit der Erdoberfläche unter ihnen. Das Flugzeug nach Osten bewegt sich gegenüber dem Sternenhimmel also eineinhalb mal so schnell als der Erdboden unter ihm. Das Flugzeug nach Westen entfernt sich zwar mit seiner Erdgeschwindigkeit vom Startort nach Westen, gegenüber dem Sternenhimmel bewegt es sich jedoch auch
noch nach Osten, und zwar mit halber Umfangsgeschwindigkeit der Erdoberfläche unter ihm.

Gegenüber der Erdoberfläche sind die Reisezeiten der Flugzeuge bis zu ihrem Startplatz zurück gleich lang.
Dem Sternenhimmmel gegenüber ist die Reisezeit
des Flugzeugs nach Osten für eine Umrundung der Erde aber nur zwei Drittel einer Erddrehung, also Zweidrittel Tage*.
Die Reisezeit des Flugzeugs nach Westen beträgt dagegen zwei Erdumdrehungen, also zwei Tage*. Beides ist in der Animation optisch zu verfolgen. 
*Diese Tage sind Sterntage, keine Sonnentage, also um ein Dreihundertsechsundfünfzigstel kürzer als ein Sonnentag.  

Das Ergebnis.
1) Die Uhr im Flugzeug nach Osten geht durch die höhere absolute Geschwindigkeit langsamer, die Uhr im Flugzeug nach Westen durch ihre geringere absolute Geschwindigkeit dagegen schneller. Beide nur fast gleich viel, da die Zeitdilatation nicht linear zur absoluten Geschwindigkeit ist.
2) Die Reisezeitveränderungen gegenüber der Kontrolluhr bei den genannten Geschwindigkeiten der Flugzeuge entsprechen dem Verhältnis zwei Drittel Tage* zu zwei Tage*, also dem Verhälntis von 1 zu 3. Würde die Uhr im Flugzeug nach Osten 50 ns nachgehen, so würde die Uhr im Flugzeug nach Westen 150 ns vorgehen (die bei diesen Geschwindigkeiten noch sehr kleine Nichtlinearität der Zeitdilatation zur Geschwindigkeit unbeachtet).

Damit ist das Rätsel der Ergebnisse des Hafele-Kaeting-Experimentes gelöst und: genau dieses Ergebnis hätte die spezielle Relativitätstheorie voraus sagen müssen! Und das kann sie nun nicht einmal im Nachhinein. Aber: daß die  Zeitdilatationen mit gleichen absoluten Werten bezogen auf die Differenzgeschwindigkeiten zur Vergleichsuhr vorliegen, entspricht schon dem Verständnis der speziellen Relativitätstheorie. Daß aber die Zeitdilatationen in zwar gleicher Höhe, aber entgegengesetztem Vorzeichen bestehen, erlärt sich nur daraus, daß die Vergleichsuhr selbst einer Zeitdilatation unterliegt. Der gegenüber erhöht diese sich im Flugzeug nach Osten und verringert sich im Flugzeug nach Westen. Hätten die Flugzeuge die Erde über die Pole unrundet, hätten die Ergebnisse der speziellen Relativitätstheorie entsprochen und alle Physiker hätten Hurra "geschriehen". So aber sind alle kleinlaut und verstecken zumindest dieses Experiment.

Aus dieser zuvor erarbeiteten Wahrheit ergibt sich die zwingende Konsequenz, daß die spezielle Relativitätstheorie falsch ist:
Geschwindigkeiten sind nicht relativ gegeneinander, sondern absolut,
praktisch** bezogen 
auf den Sternenhimmel.

Aber das Michelson-Morley-Experiment hat doch gemessen, daß sich Licht in allen Richtungen gleich schnell bewegt und das nach Einstein sogar unabhängig davon, ob es von einem bewegten oder stillstehenden Objekt ausgeht oder auf ihnen auftrifft?
Hat es nicht!
Es hat genau die Lichtgeschwindigkeitsänderungen gemessen, die sich aus der Umlaufgeschwindigkeit der Erdoberfläche von glatt gesagt 400 m/s ergeben. Und zwar, wie nach der Meßtheorie des Experiments vorausgesetzt, als Fahrtwind des Äthers, den es nachweisen sollte und damit auch hat. Der mickrig kleine Meßwert aus nur 400 m/s gegenüber den erwarteten 30 000 m/s wurde einfach unterschlagen. Das Michelson-Morley-Experiment hat konkret gemessen, daß das Licht, bezogen auf den Meßstandort auf der Erdoberfläche, um die gesagten 400 m/s langsamer nach Osten fließt und in gleichem Maße schneller nach Westen. Daß es einen Ätherwind aus der Umdrehung der Erde geben könnte, konnte man sich damals (Michelson 1881 in Berlin) aber nicht vorstellen, das war undenkbar und ist es durch Einstein's falsche Bewertung des MIchelson-Experimentes bis heute noch. Wenn man aber Experimenten nicht mehr glaubt, macht man Pseudowissenschaft.  


Das Hafele-Keating-Experiment ist, unbeabsichtigterweise, ein Kontrollexperiment zum Michelson-Morley-Experiment. Das Michelson-Experiment hat die Lichtgeschwindigkeit in und gegen die Erddrehung gemessen. Es hat sie direkt gemessen. Das Hafele-Keating-Experiment hat auch Geschwindigkeiten mit und gegen die Erddrehung gemessen, nur kleinere als die Lichtgeschwindigkeit. Diese Geschwindigkeiten sind aber
proportionale Teile der Lichtgeschwindigkeit, denn Lichtgeschwindigkeit ist die Basis der Zeitdilatation. Also sind die Messungen der gleichen Geschwindigkeiten der Flugzeuge in Ost- und Westrichtung indirekte Messungen der Lichtgeschwindigkeit.
Das Ergebnis des Hafele-Kaeting-Experiments läßt sich praktisch ohne Geldaufwand dadurch nachvollziehen, daß eine Uhr auf dem Südpol bzw. nahe daran in einer der dortigen Forschungstationen platziert wird und mit einer anderen möglichst am Äquator verglichen wird. Mit nur dem einmaligen fixen Ausgleich des Einflusses des Gravitationsunterschiedes zwischen beiden lassen sich jeden Tag die Zeitgangunterschiede, die durch die unterschiedlichen Umfangsgeschwindigkeiten der Meßorte um die Erdachse entstehen, ablesen. Das Ergebnis ist eine Kontrolle für das Hafele-Keating-Experimnet.
Damit bestehen drei Experimente, die zum gleichen Ergebnis kommen. Und das lautet:

Geschwindigkeiten sind absolut und beziehen sich auf den Äther und
Zeitdilatationen beziehen sich auf diese absoluten Geschwindigkeiten,
die es in den Relativitätstheorien gar nicht gibt.

**Der Äther ist an der Erdoberfläche horizontal zum Sternenhimmel in Ruhe, macht also
, bis auf einen klitzekleinen Betrag aus dem Lense-Thirring-Effekt, die Erddrehung nicht mit. Deshalb können absolute Geschwindigkeiten, nur die Zeitdilatationen hervorrufen können, praktisch auf Geschwindigkeiten gegenüber dem Sternenhimmel bezogen werden.

Da nun alles funktionell zusammen paßt, ist das der definitive physikalische Beweis für die Richtigkeit des zuvor Beschriebenen. 

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