Teilchenbeschleuniger und SRT

Die Spezielle Relativitätstheorie und die Teilchen
(dieser Aufsatz entstand aus meinem Forumsbeitrag "SRT und Hochenergiephysik ")

In der Hochenergiephysik, in welcher man "relativistische" Teilchen auf sehr hohe Geschwindigkeiten beschleunigt, sollten zwei Aussagen der SRT prinzipiell nachprüfbar sein: die Lichtgeschwindigkeit als universelle Grenzgeschwindigkeit für Stoff- und Energietransport und die relativistische Massenzunahme bzw. die relativistische Zunahme der Energie oder des Impulses (je nach Interpretation). Derartige Phänomene waren allerdings bei Versuchen mit hochbeschleunigten Elektronen schon von Walter Kaufmann 1901 beobachtet und untersucht worden. Sie waren also schon vor der Relativitätstheorie (1905) bekannt und bestätigen deshalb nicht direkt die Vorausssagen der SRT, sondern die SRT liefert eine von mehreren Erklärungsmöglichkeiten für die Versuchsresultate. Dessen ungeachtet werden solche Elektronen-Experimente (und ähnliche mit anderen Teilchen) gerne von Relativisten als "Beweis" angeführt - wobei dem Laien meist keine ausreichenden Kenntnisse zur Verfügung stehen, um derartige Argumente sachlich zu beurteilen.

1) Eine sehr beliebte Argumentation von Relativisten besteht in der Behauptung, im Design von Teilchenbeschleunigern müsse die SRT berücksichtigt werden, sonst würden diese Anlagen nicht funktionieren.

Dieses Argument verdreht die Tatsachen: Teilchenbeschleuniger müssen so konstruiert sein, dass sie für jedwelche Komplikation vorgesehen sind, inbesonders müssen sie mit großer Flexibilität und Justierbarkeit auch für unvorhersehbare Überraschungen gerüstet sein. So wie im Autobahnbau es falsch wäre, die Fahrbahnen lediglich auf bestimmte eingrenzende Eigenschaften der Benutzer abzustimmen, also für immer und ewig nur für eine Grenzgeschwindigkeit zu planen, so wäre es nicht nur falsch sondern auch technisch gar nicht machbar, eine Beschleunigeranlage exakt auf die Vorgaben einer Theorie hinzukonstruieren. Die einzelnen technischen Elemente, in der Regel Magnet-Anlagen und Hohlraumresonatoren bzw. Detektoren verschiedenster Art funktionieren nicht aufgrund eines von irgendeiner Theorie geforderten Designs, sondern mit der Vorgabe auf die Möglichkeit, auf unterschiedliche Verhältnisse empirisch mittels verschiedenster elektronischer und mechanischer Manipulation einzugehen. Die Arbeit in den Beschleunigern wird deshalb in erster Linie nicht von einer Theorie (oder vom zurzeit gültigen Paradigma) bestimmt, sondern von durchaus praktischen Erwägungen. Erst die Auswertung und Interpretation der Daten erfolgt dann von speziellen, eben gerade aktuellen theoretischen Aspekten her ...

2) Bei den Beschleunigungs-Experimenten müsse relativistisch gerechnet werden, um Störungen und Fehlerquellen aufgrund relativistischer Effekte zu kompensieren.

Alle Störungen und Fehlerquellen in der Hochenergiephysik haben grundsätzlich mit der SRT nichts zu tun. In erster Linie müssen schon die mit dem Einbau eines Insertion Devices (= Auswertungsort od. Experimentier-Einrichtung) verbundenen Störungen der Magnetoptiken durch geeignete Anpassungsmöglichkeiten der Magnetstärken weitgehend kompensierbar sein und generell muss das Design der Beschleunigungsanlagen ein Kompromiss aller in Frage kommender Anforderungen darstellen, um die vielfältigsten Anwendungsmöglichkeiten anbieten zu können. Mechanische, optische und elektronische Manipulationen müssen die Beeinflussung von Teilchenstrahldimensionen, Strahllebensdauer, Quantenanregung und speziell die maximale Beherrschung folgender Fehlerquellen erlauben: Streuprozesse, die zu Teilchenverlust führen, Feld- und Aufstellungsfehler (Feldstärke-, Längen- und Symmetriefehler) der Magneten, Resonanzen, Fehler der Chromatizität, Head-Tail-Instabilität, Tune-Shift-Störungen, Impulsabweichungen und Amplitudenschwingungen, Verluste durch unerwünschte Synchrotronstrahlung bei Betatronen, Störungen der Sollbahn (Closed-Orbit-Störung), Störungen der optischen Funktionen (Beta Beating), unerwünschte Strahlwechselwirkungen, Bodenschwingungen,
Schwingungen der verschiedenen Pumpen (Vakuum-,Wasser-, Kryopumpen), Teilchenkollisionen mit Restgasteilchen (unzureichendes Vakuum), stromabhängige Effekte (Potential Well Distortion, Turbulente Bunchverlängerung und Intra Beam Scattering), unerwünschte Quanteneffekte (Anregung, Dämpfung), Coulomb-Streuung, Bremsstrahlung, Instabilitäten der HF-Systeme, Multi Bunch- oder Coupled Bunch-Instabilitäten, Ion Trapping etc. etc...
Die spezifischen Fehlerquellen in den Messgeräten und Detektoren sind dabei noch nicht aufgezählt, ihre Liste ist zumindest eben so lang...
Haben bei all diesen aufgezählten Störungsmöglichkeiten auch relativistische Effekte eine Bedeutung? Nein, nirgendwo!

Richtig ist aber - wie schon anfangs erwähnt - dass das Verhältnis der Ruheenergie zur kinetischen Energie "relativistischer" Teilchen nicht durch die klassische Beziehung, sondern durch den Lorentzfaktor gegeben ist und deshalb eine Verminderung der beschleunigenden Wirkung von Magnetfeldern bei zunehmender Geschwindigkeit in diesem Ausmaß auftritt - was auch mit dem Grundsatz zu tun hat, dass Pferde eine Kutsche nicht schneller ziehen können als sie selber zu laufen vermögen!
Um diesen Grundsatz im Bezug auf Teilchen zu verstehen, muss man sich darüber im Klaren sein, dass geladene Teilchen aufgrund ihrer "Ladung", also über die Wechselwirkung von Photonen beschleunigt werden - sie werden tatsächlich gleichsam wie Pferdekutschen von Photonen gezogen, um es etwas bildhaft auszudrücken. Allerdings ist es nur von der Quantenmechanik her beschreibbar, dass Teilchen, sowohl Elektronen als auch Nukleonen stets von Photonenschauern umgeben sind, also in dieser Form "Ladungen" tragen (in der T.A.O.-Matrix Theorie sind dies die sekundären Spinpolarisationen des Feldes). Deswegen sind auch nur Teilchen mit Spin (also mit magnetischen Momenten od. Ladungen) mittels Magnetfeldern (prinzipiell auch mit elektrischen Feldern) zu beschleunigen. Wir wissen aber, dass auch in der T.A.O.-Matrix-These die Fortpflanzungsgeschwindigkeit für Impulse auf die Lichtgeschwindigkeit determiniert ist. Die Problematik der Teilchenbeschleunigung folgt daher nicht aus der mysteriösen Variabilität von Zeit und Raum, sondern aus wesentlich trivialeren Ursachen.

Dass die relativistische Massenzunahme eine Chimäre ist, habe ich schon hier dargelegt. Ebenso ist hier zu sehen, wie Effekte aus der Dopplerverschiebung der Frequenzen aus propagandistischen Gründen der Lorentzkontraktion zugeschrieben werden. Dass die schwindende Wirkung beschleunigender Felder auf schnelle Teilchen tatsächlich aus einer Lorentz-artigen Verkürzung des Wirkungsbereiches kommt - und genau das mit dem fixed-space-delay-model erklärbar ist, soll hier nun kurz ausgeführt werden:
(Wer über das 2-Geschwindigkeiten Prinzip der Lichtausbreitung in der T.A.O.-Matrix noch nicht Bescheid weiß, sollte sich vorerst darüber hier informieren.)

Jedes elektromagnetische Phänomen, insbesondere das Licht, zeigt - wenn es von einer bewegten Quelle ausgesandt wird - auf jeden Fall den Doppler-Effekt ... auch unabhängig davon, ob man die Bewegung auf ein Inertialsystem, oder auf einen "Absolutraum" bezieht. Dieser zumindest in der T.A.O.-Matrix-These zumeist als asymmetrisch beschriebene Effekt impliziert auch eine anisotrope Lichtausbreitung und damit auch nur eine scheinbare Konstanz der Signalgeschwindigkeit, da sich die Lichtsphäre nur bei einer Quellengeschwindigkeit sehr viel kleiner als c mit der Quelle exakt mitzubewegen scheint. Bei höheren Quellengeschwindigkeiten verkürzt sich der Abstand von der Quelle zur Signalspitze deutlich, da die Quelle gewissermaßen ihre eigenen Photonen einholt. Der Abstand wird umso kürzer, je schneller die Quelle hinter ihren Photonen nachläuft.

Wenn wir die Konstanz der Lichtgeschwindigkeit und auch die Eigenschaft als Grenzgeschwindigkeit für Stoff- u. Energietransporte auf den sogenannten Absolutraum beziehen, ist die Verkürzung eines elekromagnetischen Feldes einfach aus dem Doppler-Effekt zu verstehen. Da der Doppler-Effekt unter dieser Annahme - wie oben betont - asymmetrisch ist, ergibt sich zwar insgesamt eine elliptische Verlängerung des Feldes (einer Lichtsphäre z.B.) in Bewegungsrichtung, es verschiebt sich aber die Quelle (der "Schwerpunkt") des Feldes in den vorderen Brennpunkt dieser Ellipse.

Eine Lichtquelle sendet in einem bestimmten zeitlichen Abstand Impulsfronten aus, die sich in alle Richtungen mit etwa 3oo ooo km/s ausbreiten. Bewegt sich die Lichtquelle, so haben die nach vorne ausgesandten Impulsfronten einen kürzeren Abstand zur Quelle. Dadurch kommen die Impulsfronten auch in einem kürzeren Zeitabstand beim Beobachter an. Dieses schnellere Aufeinanderfolgen der Impulse empfinden wir als Veränderung der Farbe (Blauverschiebung). Die Verkürzung der Impuls-Abstände bzw. die Erhöhung der Frequenz vor der Quelle (und damit die kürzere Wellenlänge) ergibt sich nach der Doppler-Formel (schon in allgemeiner Schreibweise)

bzw. in relativistischer Schreibweise (nur auf die Relativbewegung bezogen):

Dass sich diese Formel auch aus der Lorentztransformation der SRT ableiten lässt, ist nicht überraschend:

Lorentzformel (Zeit):
t' = (t - v * x/c²) / √(1-v²/c²)
√(1-v²/c²) * t' = t - v * x/c²
√(1-v²/c²) * dt' = dt - v /c² * dx
√(1-v²/c²) * dt'/dt = 1 - v /c² * dx/dt

dx/dt = u = c (im Ruhesystem)
dt'/dt = T'/T = f/f'
f/f' = (1- v/c) / √(1-v²/c²)

f/f' = √(1- v/c) / √(1+v/c)

Oder abgeleitet aus der Längenkontraktion.
Lorentzformel (Länge):
dx = (dx'+v*dt)*1/√(1-v²/c²)

daraus:
dx/dx' = √(1+v/c)/√(1-v/c)

Wir sehen, dass alle diese Beziehungen verknüpft sind mit dem Lorentzfaktor √(1-v²/c²); daher auch die Längenkontraktion mit:

Der Einflussbereich auf ein "von Photonen gezogenes Elektron" bzw. auf einen Elektronenbunch wird demnach sowohl räumlich als auch zeitlich umso kürzer, je schneller die Elektronen werden. Dass der Einsatz des Lorentzfaktors nur eine grobe Näherung darstellt und eine genaue Berechnung eigentlich mit der kompletten Lorentztransformation (d.i. eine Koordinatentransformation!) notwendig wäre, soll nur nebenbei erwähnt sein (der Gammafaktor ist nur ein Term der Lorentztransformation). Offenbar ist die Genauigkeit der Daten-Auswertung (Messkurven, Peaks) nicht hoch genug, um so feine Unterschiede für Relativisten erkennbar zu machen, wie z.B., dass die Konstanz von c mit dem alleinigen Einsatz des Lorentzfaktors gar nicht gewahrt ist - was real ja auch zutreffen dürfte.
Nicht die Masse, die Energie oder der Impuls der Elektronen verändern sich durch die Geschwindigkeit, sondern der Zugriffsbereich der Magnetfelder (also ihre beschleunigende Wirkung) verringert sich im Ausmaß der Verkürzung, und das ist nur nach dem fixed-space-delay-model allein durch den Lorentzfaktor dimensioniert. Mit Anwendung der SRT wäre zwar mit der Lorentztransformation zu rechnen - denn nur den Term zwanglos einzusetzen, ist auch nach der SRT falsch - aber die Ergebnisse sind pikanterweise gerade deshalb zutreffend! Als "hervorragende Arbeit" mit der SRT kann man die Vorgangsweise allerdings nicht bezeichnen.

3) Zeitdilatation und Lorentzkontraktion wären bei den Beschleunigungs-Experimenten direkt nachweisbar.

Die angebliche Zeitdilatation ist auf den transversalen Doppler-Effekt zurück zu führen, ein Effekt, der normalerweise nicht zu erwarten wäre, wenn bei parallel bewegten Sendern und Empfängern keine Distanzveränderung auftritt. In elektromagnetischen Impulsfortpflanzungen, wie z.B. Licht, ist dieser transversale Doppler-Effekt ganz normal, weil durch das fixed-space-delay des Erzeugungspunktes zwar eine trägheitsbedingte Vermeidung der Aberration, aber keine Geschwindigkeitsänderung möglich ist. Siehe hiezu auch meinen Beitrag zum Licht im Absolutraum widerlegt die SRT. Eine Zeitdilatation kann man daraus nur formulieren, wenn man aus dem Verhalten des Lichts unbedingt eine Uhr konstruieren will - wobei Einsteins Schema der "Lichtuhr" für die Demonstration einer Zeitveränderung nichts taugt, weil der Gang der Uhr lageabhängig wäre - wie ich das hier beschrieben habe.
Ives und Stilvell haben in ihrem berühmten Versuch zwar die Asymmetrie des Doppler-Effekts gemessen und davon auf den transversalen Doppler-Effekt zurück geschlossen - damit haben sie zwar auch diesen bestätigt, aber mit einer Zeitdilatation hat das gar nichts zu tun. Die Formel für den transversalen Doppler-Effekt ist

was erwartungsgemäß nichts anderes als die Zauberformel der Relativitätstheorie, den Lorentzfaktor, darstellt. Messergebnisse, die nichts anderes als Effekte aufzeigen, die aus dem fixe-space-delay-Verhalten des Lichts herrühren, können damit beliebig als Bestätigung für Zeitdilatation oder Längenkontraktion gewertet werden.

Viele Physiker auf dieser Welt werden daher glauben, sie würden mit der "praktikablen" SRT "arbeiten", wenn sie in zirkelschlüssiger Weise den Lorentzfaktor in ihre Gleichungen einsetzen, relativistisch rechnen und relativistische Ergebnisse erhalten. Sie erliegen damit einer nunmehr schon hundertjährigen Illusion.

Lesen Sie zu diesem Thema auch meinen Forumsbeitrag "Der Lorentzfaktor in der Hochenergiephysik"!

Die Effekte der Speziellen Relativitätstheorie können Sie selbst hier berechnen!

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