DE202019004514U1

DE202019004514U1 - Versuchsanordnung zum Zeitvergleich in bewegten und ruhenden Uhren

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Publication number: DE202019004514U1
Application number: DE202019004514.7U
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Priority date: 2019-10-25
Filing date: 2019-10-25
Publication date: 2020-01-22
Anticipated expiration: 2029-10-26

Abstract

Versuchsanordnung zum Vergleich von ruhenden und bewegten Uhren, damit gekennzeichnet, dass auf der äußeren Kantenfläche einer kreisrunden Scheibe S ein Hohlraum Lichtleiter HLL angebracht ist, wie das schematisch in den Figuren Fig.2 und Fig.3 gezeigt wird und dass die Scheibe S in ihrem Zentrum Z gelagert und mit einer extrem hohen Drehzahl Vor- und Rückwärts angetrieben werden kann. An einer Stelle wird der Lichtleiter unterbrochen und dort eine Hochfrequenz-Laserdiode LD1 eingegliedert mit dem Ziel extrem kurze Lichtimpulse in den Hohlraum- Lichtleiter auszusenden, jedes Mal, wenn die Diode dazu die entsprechende Trigger- Anregung erhält Auf der Rückseite dieser Laserdiode wird eine elektronische Lichtempfangseinrichtung E bautechnisch Installiert und elektronisch dafür konzipiert, ankommende Lichtimpulse aus dem Hohlraum- Lichtleiter in eine Trigger- Anregung für die Laserdiode LD1 umzuwandeln. Außerdem ist die Laserdiode LD1 mit einer zweiten Laserdiode LD2 unmittelbar verbunden, die ihre Lichtimpulse nicht in den Hohlraum Lichtleiter aussendet, sondern quer und senkrecht zur Drehrichtung der Scheibe.

Description

Einleitung
In der theoretischen Physik wird angenommen, dass in einem Raumschiff, das sich gerade in der Beschleunigungsphase befindet, die Bedingungen zum Verwechseln ähnlich sind, wie bei einem freien Fall in der Erdanziehung. Deswegen wird auch erwartet, dass die quer zur Flugrichtung angestrahlte Wand im Raumschiff dem Lichtstrahl vorauseilt. Oder anders ausgedrückt, wird in diesem Fall das Licht entgegen der Flugrichtung verbogen. Mit dem Übergang zu einem beschleunigungsfreien Flug würde dieser Effekt wieder verschwinden.
Ein Raumschiff ist von Gravitationsfeldern frei und die beschriebene Auslenkung des Lichtstrahls ist nur unter der Bedingung möglich, dass der Raum im Raumschiff als das Laufmedium des Lichtes während einer Beschleunigung relativ zum Raumschiff zurückbleiben würde. Anders ausgedrückt, verhält der Raum sich im Raumschiff mit auf dem Flug derart, dass bei einer beschleunigungsfreien Fahrt der Raum im Raumschiff sich in Ruhe befindet Während der Beschleunigung bleibt dieser Raum etwas zurück und „holt“ wieder das Raumschiff ein, wenn ein gleichförmiger Flug eingestellt ist.
Bei der Ableitung der speziellen Relativitätstheorie wird von dem Gedankenexperiment mit dem fahrenden Zug ausgegangen, der mit einer konstanten Geschwindigkeit v fahren würde. Nach dem Relativitätsprinzip wird der im Zug mitfahrende Beobachter einen Lichtstrahl vermessen können, der sich mit konstanter Lichtgeschwindigkeit c bewegt. Für diesen Beobachter stellt auch die Zeitgleichheit kein Problem dar: Ein aus der Zug-Mitte gesendeter Lichtstrahl wird beide Zug- Enden zeitgleich treffen können, obwohl der Zug sich geradlinig vorwärts mit konstanten Geschwindigkeit v bewegen würde. Für einen Beobachter außerhalb des Zuges stellt sich die Situation anders dar:
Angenommen im Zug hätte man zwei Punkte A und B, wie in der 1a schematisch gezeigt wird. Beide Punkte A und B sind miteinander mittels einer Schiene fest verbunden, die senkrecht zu der Fahrtrichtung des Zuges montiert ist Der Zug fährt vorwärts mit einer konstanten Geschwindigkeit v. Auf dieser Schiene wird weiter eine Lampe L mit konstantem Vorschub von A nach B bewegt.
Für den Beobachter im Zug bewegt die Lampe sich senkrecht von A nach B. Für den ruhenden Beobachter außerhalb des Zuges bewegt die Lampe sich schräg zum Punkt B'(Strecke ST), aber nur deswegen, weil die fest montierte Schiene diese Lampe in die Fahrtrichtung mitbewegt, ebenfalls mit der Geschwindigkeit v.
Diese Situation darf nicht gleichgesetzt werden mit dem Abschuss eines Lichtimpulses aus dem Punkt A in Richtung Punkt B, 1b. Mit dem Abschuss aus dem Punkt A entspringt der Lichtimpuls aus dem Lichtsender und „hängt“ für eine Weile im Raum zwischen A und B, 1b.
Bei der Erklärung der speziellen Relativitätstheorie legt man sich auf dem Standpunkt fest, dass für den ruhenden Beobachter außerhalb des Zuges der Lichtimpuls, genauso wie die Lampe L aus der 1a, schräg auf der Strecke ST zum Punkt B' laufen würde. Aus dieser Annahme kann auch der bekannte Lorenzfaktor errechnet werden. Der Lichtimpuls läuft aber nicht auf einer Schiene, wie die Lampe L, sondern im Raum zwischen A und B.
Mit der Auswertung der Mission „Gravity Probe B“ im Jahr 2011 wurde andererseits für die Kosmologie eine weitere und wichtige Erkenntnis gewonnen /1/. Es wurde festgestellt, dass die Erde den Raum um sich verdreht. Die Raumverdrehung um die Erde herum, bedeutet in erster Linie, dass auch um unsere Sonne herum und grundsätzlich um jede sich im Weltraum drehende Materie ebenfalls der Raum verdreht wird.
Wenn diese Erkenntnisse z.B. für die Erklärung des bekannten Sagnac Effekts angewendet wird, muss feststellt werden, dass bei dem Sagnac Experiment nicht der Lichtstrahl verdreht wird, sondern der Raum, in dem sich dieser Lichtstrahl ausbreitet /2/. Weil der Raum allein bestimmt, wie das Licht sich zu verhalten hat Schließlich ist diese Randbedingung eine der Grundvoraussetzungen in der Allgemeinen Relativitätstheorie.
Zusammengenommen funktionieren die Annahmen für das Raumschiff, für den fahrenden Zug nach Albert Einstein und für das Sagnac Experiment nur in dem Fall, wenn die Materie bei ihrer Bewegung den in ihr eingeschlossenen Raum mitbewegen würde. Mit der Mission „Gravity Plus B“ wurde diese theoretische Erwartung praktisch oben im Kosmos bestätigt. In der Tat ist die Messung geringfügig ausgefallen. Sie stellt aber einen deutlichen Hinweis darauf, dass zwischen Raum und Materie eine fundamentale Wechselwirkung existiert. Dies bedeutet auch, dass die Eigenschaften der Materie stets im Zusammenhang mit dem Raum zu betrachten sind. Der Raum erscheint plötzlich in einer Art und Weise, die es erlaubt, dass ihm Mitwirkung und sogar substanzielle Eigenschaften zugewiesen werden dürfen. Es ist der eigentliche und der wesentlichere Verdienst der Mission „Gravity Probe B“, dass sie zu diesem entscheidenden Gedankensprung beigetragen hat.
Der Erfolg der Mission „Gravity Probe B“ im Kosmos wirft die Frage auf, wie die Wechselwirkung zwischen Raum und Materie auch hier auf der Erde vermessen werden kann. In diesem Zusammenhang wäre wichtig mit dem fahrenden Zug nach Albert Einstein praktische Experimente durchzuführen, z.B. um das Lichtverhalten dort zu untersuchen. Dabei besteht die eigentliche Schwierigkeit darin, dass in Relation zu dem fahrenden Zug ein ruhender Beobachter installiert werden muss.
Dieses Problem mit dem fahrenden Zug nach Albert Einstein wird umgangen, indem aus diesem hypothetischen Zug eine rotationssymmetrische Konstruktion gefaltet wird. Die Fahrt geradeaus des Zuges wird dabei durch eine Rotation ersetzt. Frontal dieser Konstruktion kann ein ruhender Beobachter installiert werden. Auf diese Weise erhält man ein kreisrundes Sagnac Experiment als Gerät, das für praktische Messungen zugängig ist /2/.
Das kreisrunde Sagnac Experiment steigt dadurch auf eine Position auf, als das Schlüsselexperiment in der Physik ausgezeichnet zu werden. Mit ihm können viele der Grundaussagen der modernen Physik überprüft werden. Insbesondere kann damit die fundamentale Beziehung zwischen Raum und Materie vermessen werden. Bisher mehr oder weniger intuitive Annahmen können mit dem kreisrunden Sagnac Gerät in einem experimentell ermittelten Formelwerk verankert werden /2/.
Stand der Technik und Problemdarstellung
Die Feststellung, dass die Erde den Raum um sich verdreht, stellt nur ein Qualitätsmerkmal dar. In der systemischen Beziehung zwischen Raum und Materie reicht die Qualität dieser Beziehung allein nicht aus, um die Eigenschaften der Materie festlegen zu können. Wird die Materie bewegt oder rotiert, so verformt sie den Raum um sich herum und die Konsequenz dieser Verformung muss bekannt sein.
Es ist plausibel z.B. anzunehmen, dass innerhalb einer Masse der Raum in Richtung Zentrum dieser Masse verdichtet wird. Als Folge der steigenden Gravitationswirkung würden z.B. die Raumdimensionen schrumpfen und die atomaren Strukturen würden sich verkleinern. Solche Effekte können sogar direkt vermessen werden, sie eröffnen neue Möglichkeiten, die der theoretischen Physik nützlich sind.
Beispiel 1: Im Satellit um die Erde ticken die Atomuhren schneller
Im Jahr 2010 haben Chin-Wen Chou und seine Kollegen vom National Institute of Standards and Technology in Boulder festgestellt, dass Atomuhren ihre Frequenz bereits erhöhen, wenn sie wenige Zentimeter von der Erdoberfläche angehoben werden /3/. Eine Erklärung für dieses Phänomen bietet z.B. die Allgemeine Relativitätstheorie. Genauso plausibel als Erklärung wäre aber auch die Annahme, dass mit dem steigenden Abstand von der Erdoberfläche das Herz der Atomuhr aufgebläht wird. Das Aluminium Ion würde dabei weniger stabil werden und würde seine Taktfrequenz messbar erhöhen. Für die Erklärung des Phänomens bietet sich dadurch eine rein physikalische Erscheinung. Die systemische Wirkung auf dem Zeitgeber der Atomuhr erhält mit dieser Annahme einen neuen und unabhängigen Parameter, der untersucht werden muss. Die Zeitdilatation wird in einer neuen Hypothese in Frage gestellt und der entstandene Widerspruch zu der bisherigen Theorie bedarf geklärt zu werden.
Auch die Bewegung des Taktgebers der Atomuhr, wie sie in der zitierten Arbeit von Chin-Wen Chou und Kollegen durchgeführt worden ist, bedarf ebenfalls eine neue und zusätzliche Interpretation. Materie und Raum wechselwirken auch in kleinsten Dimensionen. Die Bewegung im Raum könnte z.B. das Aluminium Ion deformieren und dadurch ebenfalls seine Taktfrequenz beeinflussen.
Bei der entstandenen Problematik kann eine einfache Kalkulation schon behilflich sein. Es ist bekannt, dass Atomuhren im Orbit um die Erde schneller ticken. Dabei reicht es nicht aus zu behaupten, dass dieser Fakt die Allgemeine Relativitätstheorie bestätigen soll. Schließlich liefert diese Theorie auch die Formel, um die theoretisch mögliche Abweichung genau zu berechnen. Andererseits sollen im Orbit bewegte Uhren nach der speziellen Relativitätstheorie langsamer ticken. Mit Hilfe dieser Theorie kann die Veriangsamung der Taktfrequenz der Atomuhren ebenfalls berechnet werden. Für die Realität im Kosmos konkurrieren beide Theorien und allein die genaue Kalkulation wird zeigen, ob die Voraussagen richtig sind. Die Allgemeine Relativitätstheorie liefert für die Erde einen Zeitfaktor, der in der Größenordnung von 10^-9 liegen soll. Es muss hinterfragt werden, ob dieser Faktor ausreicht, um die Lorenzkorrektur zu überbieten und die reale Zeitverschiebung der Atomuhren im Orbit zu begründen. Pauschale Behauptungen sind zu diesem Problem bei weitem nicht ausreichend, die Wissenschaftler werden aufgefordert ihre Daten genau zu kalkulieren und die Berechnungen offenzulegen.
Wenn heute Atomuhren schon nach weniger Zentimetern über die Erdoberfläche schneller ticken, fragt man sich, warum andere Atomuhren in dem bekannten Flugzeugversuch im Gegenteil eine Verlangsamung ihrer Zeit angezeigt haben sollen. Damals war es offensichtlich leichter eine Behauptung zu verbreiten als es gegenwärtig dies möglich ist. In der Zeit der GPS heute muss dagegen präzise gemessen und gegebenenfalls gegengesteuert werden. Der Widerspruch mit den Atomuhren im Flugzeug von damals bleibt aber offen, so dass auch hier neue Experimente notwendig sind.
Diese Überlegungen zeigen, dass die anstehenden Fragestellungen neue Messmethoden und andere Analyseverfahren erfordern, weil in der Physik regelmäßig und vorwiegend Systeme untersucht werden, die mehrere und unabhängige Variablen enthalten. Die Schwierigkeiten in diesem Fall könnten überwunden werden, wenn die Physiker systemtheoretisches Wissen im ausreichenden Umfang anwenden würden, s. weiter Abschnitt 4.2.
Theorien für die Zusammenhänge im Kosmos können beliebig nach Wunsch aufgestellt werden, die Erde und die Himmelskörper werden davon unbeirrt ihre Kreise weiterdrehen. Anders die Situation in der Ingenieurswissenschaften, dort ist exaktes Rechnen Pflicht, weil z.B. Flugzeuge immer fliegen müssen, Satelliten richtig navigieren und Schiffe nicht untergehen dürfen.
Beispiel 2: Die Übertragung von Nachrichten im Universum aus ferner Zeiten
Im Beispiel 1 wurde das Problem diskutiert, dass eine einfache Zeitmessung auch im Atomzeitalter hier auf der Erde schwierig sein kann. Weitaus schwieriger gestaltet sich die Zeitmessung aus früheren Zeiten. Die Schwierigkeit wird darin erkannt, dass die Nachricht über einen Zeitverlauf von damals nicht direkt abgelesen werden kann. Diese Nachricht muss erst zu der Erde kommen und sie muss auf ihrem Weg in der Regel viele Millionen, bzw. Milliarden Kilometer überwinden. Am Beispiel der Übertragung der Nachricht vom Anfang und von Ende einer einfachen Zeitspanne ΔT wird das Problem näher erläutert.
Zuerst betrachtet man den Fall, dass die Nachricht vom Anfang der Zeitspanne ΔT z.B. in Form eines Lichtimpulses einen beliebigen Ort aus dem früheren Universum erreicht hätte. Bis zu diesem Ort hat die Lichtgeschwindigkeit v eine bestimmte Entfernung zurückgelegt. In diesem Moment liegt die Nachricht von dem Ende der Nachricht ortsmäßig etwas zurück, weil sie später versendet wurde. Zwischen den zwei Nachrichten bestünde eine Entfernungsdifferenz: $Δ S = Δ T . v$
Im weiteren Verlauf kommt es darauf an, dass bis zu der Erde nicht mehr ein Zeitabstand übertragen wird, sondern der Streckenabschnitt ΔS. Mit anderen Worten wurde der Zeitabstand ΔT in einem Streckenabstand ΔS kodiert. Dieser Umstand ist insofern wichtig, weil die Übertragung des Streckenabstandes ΔS durch einen Universum stattfindet, das in ständiger Expansion begriffen ist. Auf der Erde wird dadurch nicht die Nachricht über die Strecke ΔS empfangen, sondern eine auf jedem Fall größere Strecke ΔS'.
Das Zeitempfinden, bzw. die Vermessung über die ursprüngliche Zeitspanne ΔT auf der Erde ist dann relativ und damit verbunden, wie lange die aktuell auf der Erde herrschende Lichtgeschwindigkeit v₀ braucht, um die veränderte Strecke ΔS' zu überwinden. Die Zeitmessung auf der Erde für die Zeitspanne wird zuallererst von der zurückgelegten Entfernung abhängig sein, die von der Nachricht über die lange Zeit davor überwunden worden ist. Außerdem wird diese Zeitmessung auch von der Lichtgeschwindigkeit v₀ abhängig sein. Weil durchaus die Möglichkeit gegeben ist, dass mit der Evolution des Universums über die Zeit auch die Lichtgeschwindigkeit v sich kontinuierlich an der veränderten Bedingungen angepasst hat. Der Raum für Spekulationen ist groß, weil:

1. Die Raumexpansion in ihrem Zeitverlauf unbekannt ist.
2. Die Entfernung zum Ort des Geschehens nur grob geschätzt werden kann.
3. Über die Lichtgeschwindigkeit im früheren Universum liegt keine Information vor. Es ist auch nicht zwingend daran zu glauben, dass die Materie sich in dem damaligen Universum 100% genauso präsentiert hatte, wie im Universum, das uns unmittelbar bekannt ist.

Mit diesen Überlegungen wird auf das Problem hingewiesen, wenn es darum geht, den Zerfall Nickel/Kobalt/Eisen in den Supernovae von früher beurteilen zu wollen. In den Messwerten der Wissenschaftler für frühere Zeiten des Universums muss auf jedem Fall eine Variable erscheinen, die die Entfernung vom Ort des Geschehens beinhaltet Vor allem scheinen Angaben unsicher zu sein, dass vor Milliarden von Lichtjahren der Zerfall Nickel/Kobalt/Eisen weniger Zeit beansprucht haben soll, als gegenwärtig im Labor vermessen wird. Die vielen Unbekannten in der bisherigen Evolution des Universums verhindern es, dass hier verlässliche Daten ermittelt werden können.
Wie schwierig das Problem zu entwirren ist, erkennt man am besten aus der kosmischen Hintergrundstrahlung. Auch die kosmische Hintergrundstrahlung hat ihre Reise durch das frühere Universum mit einer Wellenlänge des Lichts angetreten. Angekommen ist sie in unseren Zeit mit der viel größeren Wellenlänge einer Radiowelle. Der Zeitfaktor Periodendauer des Lichts von damals wurde ebenfalls in einem Streckenabschnitt kodiert. Gerade die Veränderung dieses Streckenabschnitts über die Zeit dokumentiert für die heutige Wissenschaft, dass das Universum stets in Expansion begriffen ist.
Zusammenfassend stellt man fest, dass aktuell Messmethoden dringend gebraucht werden, die heute und hier auf der Erde in der Lage sind, die Zeitdilation in Echtzeit vermessen zu können.
Ziel und Aufgabe der Erfindung
Mit dem Entwurf eines kreisrunden Sagnac Experiment konnte gezeigt werden, wie direkt auf der Erde die Wechselwirkung zwischen Raum und Materie untersucht werden kann /2/. Mit der vorliegenden Erfindung wird die Aufgabe verfolgt, den Zeitverlauf in bewegten und in ruhenden Systemen miteinander zu vergleichen. In der Einleitung wurde festgestellt, dass bewegte Materie den in ihr eingeschlossenen Raum mitbewegt und zwar relativ zu dem ruhenden Raum außerhalb. Diese Feststellung wurde direkt aus der gegenwärtig aktuellen Ansicht der Physiker über Materie, Raum und Zeit abgeleitet.
Die Idee von einer separaten und relativistischen Raumbewegung ermöglicht wiederum die Konstruktion einer Messvorrichtung, die der Aufgabenstellung genügen wird.
Beschreibung der Erfindung
In der Versuchsanordnung nach 2 wird auf der äußeren Kantenfläche einer kreisrunden Scheibe S ein Hohlraum-Lichtleiter HLL angebracht. Die Scheibe S ist in ihrem Zentrum Z gelagert und kann mit einer extrem hohen Drehzahl vor- und rückwärts angetrieben werden. An einer Stelle wird der Lichtleiter unterbrochen und dort eine Hochfrequenz-Laserdiode LD1 eingegliedert mit dem Ziel extrem kurze Lichtimpulse in den Hohlraum-Lichtleiter zu senden, jedes Mal, wenn die Diode dazu die entsprechende Trigger-Anregung erhält.
Auf der Rückseite dieser Laserdiode wird eine elektronische Lichtempfangseinrichtung E (Sensor) bautechnisch installiert und elektronisch dafür konzipiert, ankommende Lichtimpulse aus dem Hohlraum-Lichtleiter HLL in eine Trigger-Anregung für die Laserdiode LD1 umzuwandeln.
Außerdem ist die Laserdiode LD1 mit einer zweiten Laserdiode LD2 synchronisiert, die ihre Lichtimpulse nicht in den Hohlraum-Lichtleiter sendet, sondern quer und senkrecht zur Drehrichtung der Scheibe S, s. auch 3.
Ein im Hohlraum-Lichtleiter befindlicher Beobachter wird eine konstante Lichtgeschwindigkeit c₀ in seinem System messen. Mit Hilfe der Laserdiode LD2 machen die Lichtimpulse einen Quantensprung aus dem rotierenden System in das ruhende System außen und können dort ausgewertet werden. Vorausgesetzt, dass das rotierende System nicht beschleunigt, ergeben sich für die Zeit T_i = 2πr/ c₀ zwei Möglichkeiten:

1. T_i zwischen den Lichtimpulsen bleibt konstant, ganz gleich ob die Scheibe S ruht, oder sich drehen würde.
2. Ti zwischen den Lichtimpulsen wird im Sinne der Lorenz-Transformation verändert.

Ein Beobachter aus dem ruhendem System außen würde feststellen, dass der Lichtimpuls aus der Laserdiode LD1 bei jeder Umdrehung der Scheibe eine größere Strecke zurücklegt als der Scheibenumfang 2πr (r = Scheibenradius). Tatsächlich trägt der im Hohlraum-Lichtleiter sich mitdrehende Raum das Licht weiter, als den Scheibenumfang 2πr. An dieser Stelle bietet die Möglichkeit sich an, die Zeiten in dem rotierenden System und im ruhenden System außen miteinander zu vergleichen.
Aus der 3 ist ersichtlich, dass der Lichtimpuls aus der Laserdiode LD2 eine Raumstrecke mk durchläuft, die bei der Drehung der Scheibe S verdreht wird. Für die Geschwindigkeit des Lichtimpulses würde dadurch ein Raumeffekt entstehen, der in ähnlicher Form bei dem Sagnac Interferometer bereits 1913 beobachtet wurde /3/.
Um diesen Effekt zu berücksichtigen, wird die praktische Realisierung des Experiments weiter ergänzt: Die Lichtpulse aus der Laserdiode LD1 werden in der Empfangseinrichtung E umgewandelt und dort als eine Folge von elektrischen Signalen gespeichert. Diese Folge elektrischer Signale wird aus dem Speicher in E erst nach Beendigung des Experiments ausgewertet. Für das rotierende System wird auf dieser Weise der Sagnac Effekt durch eine Verdrehung des Raumes auf der Strecke mk vermieden.
Außerdem wird in der Empfangseinrichtung E nach der 2 und 3 ein Reaktionsglied zusätzlich eingebaut. Mit diesem Reaktionsglied wird die zeitliche Verzögerung von dem Empfang des Lichts in der Empfangseinrichtung E bis zu der Weiterleitung des Signals zu der Diode LD1 reguliert. Mit Hilfe dieser Verzögerungszeit als unabhängige Variable, kann z.B. die zeitliche Wirkung der Drehung der Scheibe S als Störfaktor auf die Elektronik der Empfangseinrichtung E untersucht werden.
Der aus der Lichtdiode LD2 ankommende Lichtimpuls wird auf der ruhenden Ebene von einem Sensor SE empfangen. Mit seiner Hilfe wird der aus der Diode LD2 ankommende Lichtimpuls in einem elektrischen Signal umgewandelt und weiter zum Zweck der gewünschten Auswertung rechnergestützt verarbeitet. Dieser Sensor SE kann außerdem von Hand kreisrund gedreht werden. Dabei soll er sich stets auf der gedachten Kreislinie befinden, die von der rotierenden Diode LD2 bei der Drehung der Scheibe S beschrieben wird. Diese Forderung ist wichtig, damit das Experiment in seiner Anfangsphase korrekt gestartet werden kann. Bei Bedarf können auf die ruhende Ebene auch weitere Lichtsensoren eingegliedert werden, s. dazu 3.
Mit dieser Versuchsanordnung können die Zeiten im rotierenden und im ruhenden System separat vermessen, bzw. berechnet werden. Damit bietet das Experiment die Möglichkeit an, dass ruhende und rotierende Uhren miteinander verglichen werden.
Bei einem programmierten Phasenwechsel von Beschleunigung und Bremsen für die Scheibe S wird erwartet, dass die Lichtimpulse aus der Laserdiode LD1 eine Frequenzmodulation erfahren, die man ausfiltern kann. Diese Frequenzmodulation kann nur entstehen, wenn der Raum im Hohlraum-Lichtleiter beim Bremsen oder Beschleunigen der Materie ihr gegenüber vor- oder zurückbleiben würde. Mit diesem Ergebnis wäre z.B. die Gültigkeit des Aquivalenzprinzips bestätigt.
Eine solche Versuchsanordnung erfordert moderne elektronische Bauelemente, die den Anforderungen des Experiments genügen können. Damit wird auch gezeigt, dass das Experiment hätte aus rein ingenieurtechnischen Gründen im vorigen Jahrhundert nicht gebaut werden können. Bei der Auswahl der Baugruppen muss gewährleistet werden, dass ihre Eigenschaften sich während der Drehung der Scheibe S nicht verändern- sie müssen in einem experimentellen Leerlauf getestet sein.
Systemtheoretische Aspekte bei der Analyse des Experiments
Aus dem Blickwinkel der Systemtheorie wird bei der Lösung einer Aufgabe nach dem Black-Box Prinzip vorgegangen. Speziell bei dem beschriebenen Experiment handelt es sich um ein komplexes System, in dem mehreren unabhängigen Variablen wirksam sind. Die Messmethode und das analytische Vorgehen bei solchen Systemen unterscheiden sich gravierend von der klassischen Vorgehensweise bei der Durchführung von Experimenten.
Die unabhängigen Variablen in einem System stellen solche Parameter der Konstruktion dar, die von dem Untersucher beliebig vorgegeben werden können. Bei dem nach 3 beschriebenen Experiment lassen sich folgende Parameter als unabhängigen Variablen definieren:

1. Der Radius r. Um verschiedene Werte für den Radius r vorgeben zu können, müssen Minimum drei Ausführungen gebaut werden. Die Wirkung von dem Radius r ist andererseits auch in der Winkelgeschwindigkeit ωr enthalten. Daher stellt der Radius r eher keinen unabhängigen Parameter dar.
2. Die Reaktionszeit, die sog. Totzeit in der Elektronik der Empfangseinrichtung E. Mit ihrer Hilfe kann die Funktion der Empfangseirichtung untersucht werden. Mit dieser Reaktionszeit kann auch die Dauer des Experiments festgelegt werden, s. weiter Diskussion.
3. Die Drehgeschwindigkeit der Scheibe ω, bzw. die Winkelgeschwindigkeit ωr. Diese Größe kann leicht als Parameter vorgegeben werden.
4. Der Abstand ms zwischen der Scheibe S und dem Sensor SE in dem ruhenden System. Dieser Abstand ist wichtig, wenn der Mechanismus der Raummitnahme durch die rotierende Scheibe S geklärt werden soll.

Die vertikale Orientierung der Konstruktion als Abweichung gegenüber der Richtung der Erdrotation wird bei diesem Experiment keine Beachtung finden. Auf der Erdoberfläche stellen wir Menschen die Passagiere im „Raumschiff“ Erde, bzw. im virtuellen Zug von Albert Einstein dar. Daher erwarten wir nach dem Relativitätsprinzip, dass diese Orientierung keine Wirkung im Verlauf des Experiments zeigen wird.
Versuchsprogramm
Mithilfe des Softwarenpacket DoE kann ein entsprechendes Versuchsprogramm erstellt werden, z.B. ein 3 x 3 -Programm, wenn jede der 3 unabhängigen Größen auf drei Werte-Horizonten vorgeschrieben wird. Selbstverständlich kann die Anzahl der unabhängigen Größen noch weiter erhöht werden, jedoch steigt die Anzahl der zu realisierenden Versuche stark an. Dagegen hat die Anzahl der zu registrierenden abhängigen Größen keinen Einfluss auf den Umfang des Versuchsprogramms. Um die Aufgabe zu bewältigen, müssen bei der DoE Methode in der Regel eine Vielzahl von Versuchen nach einem vorgegebenen Fahrplan absolviert werden.
Mit der Software DoE können schließlich mathematische Ausdrücke gefunden werden, welche den funktionellen Zusammenhang zwischen den unabhängigen und den abhängigen Größen formelmäßig beschreiben. Die Auswertung des gesammelten Versuchsmaterials zeigt auch, ob die eingangs als unabhängig deklarierten Größen wirklich solche sind.
Damit können schließlich die bei dem Entwurf des Experiments postulierten Thesen auf Relevanz geprüft und ggf. nachgewiesen werden.
Diskussion
Für die Berechnung und Durchführung von Experimenten mit mehreren unabhängigen Variablen wird eine systemtheoretische Analyse gefordert. Andere Versuchskalkulationen nach dem einfachen Prinzip der „Ein Parameter Statistik“ sind in dieser Hinsicht veraltet und nicht mehr zeitgemäß.
Grundsätzlich darf z.B. bei diesen Berechnungen die Lichtgeschwindigkeit im System nicht als eine Konstante vorgegeben werden, weil sie zu der Gruppe der abhängigen Parameter gehört. Sie wird allein im Laufe der systemtheoretischen Analyse ermittelt.
Auf der anderen Seite beinhaltet die systemtheoretische Analyse bei dem Experiment nach der 3 die Möglichkeit, wichtige Zusammenhänge zwischen Raum und Materie nicht nur qualitativ, sondern auch formelmäßig zu erfassen. Das Potential einer systemtheoretischen Betrachtung in Bezug auf dieses Schlüsselexperiment anzuwenden, erscheint dringend indiziert. Das mathematische Ergebnis wird danach in den experimentellen Fakten verankert und wäre frei von spekulativen Ansätzen.
Der wichtigste Vorteil des Experiments nach der 3 ist es, dass dieses Experiment beliebig lange in Betrieb bleiben kann. Der statistische Fehler der Messungen kann dadurch praktisch eliminiert werden.

Claims

Versuchsanordnung zum Vergleich von ruhenden und bewegten Uhren, damit gekennzeichnet, dass auf der äußeren Kantenfläche einer kreisrunden Scheibe S ein Hohlraum Lichtleiter HLL angebracht ist, wie das schematisch in den Figuren 2 und 3 gezeigt wird und dass die Scheibe S in ihrem Zentrum Z gelagert und mit einer extrem hohen Drehzahl Vor- und Rückwärts angetrieben werden kann. An einer Stelle wird der Lichtleiter unterbrochen und dort eine Hochfrequenz-Laserdiode LD1 eingegliedert mit dem Ziel extrem kurze Lichtimpulse in den Hohlraum- Lichtleiter auszusenden, jedes Mal, wenn die Diode dazu die entsprechende Trigger- Anregung erhält Auf der Rückseite dieser Laserdiode wird eine elektronische Lichtempfangseinrichtung E bautechnisch Installiert und elektronisch dafür konzipiert, ankommende Lichtimpulse aus dem Hohlraum- Lichtleiter in eine Trigger- Anregung für die Laserdiode LD1 umzuwandeln. Außerdem ist die Laserdiode LD1 mit einer zweiten Laserdiode LD2 unmittelbar verbunden, die ihre Lichtimpulse nicht in den Hohlraum Lichtleiter aussendet, sondern quer und senkrecht zur Drehrichtung der Scheibe.
Versuchsanordnung zum Vergleich von ruhenden und bewegten Uhren nach Anspruch 1, damit gekennzeichnet dass die Lichtimpulse der zweiten Laserdiode LD2 mit den Lichtimpulsen der ersten Laserdiode LD1 synchronisiert sind und dass diese Lichtimpulse als Leuchtpunkte auf einer Matscheibe in Form eines Bildschirms neben der rotierende Scheibe sichtbar gemacht werden, oder mit einer entsprechend ausgelegten Elektronik gezählt oder in ihrem zeitlichen Zusammenhang analysiert werden. Aus der kreisrunden Wanderung der Leuchtpunkte auf der Matscheibe oder aus der elektronischen Auswertung der Lichtimpulse der zweiten Laserdiode LD2 können die Laufzeiten im rotierenden und im ruhenden System miteinander verglichen werden.