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Are Constants variable?

German Book Fair in Leipzig 14. - 17. March 2013
A K V Working Group of smaller Publishers in the Börsenverein des Deutschen Buchhandels

              How Reliable are Constants?
Summary: In the Max-von-Laue Colloquium of the Humboldt-University on the 4th June and in the evening lecture of the Magnus House at the 22nd June, was gone down about the obviously current question, whether constants are (with gaze on certain constants) under all circumstances and at all times invariable. This motivated me to think about this problem in general. Before one takes particular constants under the magnifying glass, another size should be examined at first, which is in context to the lectures: "Pulse Beat of the Light" and "The Quantum Physics as Basis of the Technology of the 21st Century": namely the speed of light. In the end are based extensive conclusions of the entire physics on it; and our measurement system also. One sometimes speaks already indiscriminately from the nature-constant speed of light. One should be clear to itself, that this size is already a priori not a constant; because it all the time changes according to the medium, through which light through-goes. I focus on the background, which is responsible for the alteration of the speed of light. I ask whether one can call the speed of light (or respective the speed of all electromagnetic waves). as a constant at all? I ask whether one doesn't better the speed of light (which is doubt-freely a extremely significant physics-size) to see as a variable, which depends from the qualities of the through-streamed medium? I think that the correct conceptual handling is especially important for this problem. Speed is the way in the time-unit, here wavelength [m] and frequency [s-1]. We fix the frequency through the type of light which we use (or through the type of electromagnetic wave). Therefore, only the wavelength can vary. The basis of the measurement system is sure, because the vacuum speed of light is invariant in the near-earth vacuum. But a series of other analyses and problems will get any new consequences.
In den aufschlussreichen Vorträgen von Prof. Dr. Theodor W. Hänsch und Prof. Dr. Herbert Walther wurden einmal mehr Zweifel an der Konstanz von Konstanten geäussert. Bevor ich mir aber über die Rydberg-Konstante und andere spezielle Konstanten Gedanken mache, verweise ich erst einmal auf eine viel allgemeinere physikalische Grösse: nämlich auf die Lichtgeschwindigkeit, deren Konstanz besonders bedenklich erscheint. Sie hat für die gesamte Wissenschaft und Technik eine besonders grosse Bedeutung. Damit will ich die Bedeutung der Rydberg-Konstante und der anderen Konstanten (Planck-Konstante, kosmische Konstante, Feinstruktur-Konstante usw.) keinesfalls kleinreden. Aber die Konstante c hat nun einmal eine zentrale Bedeutung und müsste besonders zuverlässig sein. Auf ihr fussen entscheidende Schlussfolgerungen. Auf der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit c0 im Vakuum beruht nicht zuletzt unser Masssystem. Niemand behauptet ernstlich, die Lichtgeschwindigkeit c sei tatsächlich immer konstant. Das ist schlechterdings nicht möglich, denn jeder Physiker weiss - oder sollte seit Jean Bernard Léon Foucault wissen -, dass die Lichtgeschwindigkeit in Wasser nur etwa dreiviertel von der im Vakuum beträgt. Auch in anderen durchsichtigen Medien ist die Lichtgeschwindigkeit c durchweg geringer. Bei Gasen ist sie nur geringfügig langsamer als im Vakuum. In festen durchsichtigen Medien jedoch ist sie bedeutend langsamer als in Flüssigkeiten: in Diamant nur noch etwa die Hälfte, in Rutil nur noch etwa ein Drittel. Den Zusammenhang zwischen der Substanzabhängigkeit der Lichtgeschwindigkeit und den Brechungsindizes der optischen Medien liefert das Snelliussche Gesetz, wonach das Verhältnis der Lichtgeschwindigkeiten umgekehrt proportional ist zum Verhältnis der Lichtbrechungen.
Das aber sind Einzelbeispiele. Wer das alles akzeptiert und die angebliche Konstanz der Lichtgeschwindigkeit dennoch für richtig erachtet, verweist mit Recht auf die Konstanz der Lichtgeschwindigkeit c0 im Vakuum, nach der sich unser Masssystem richtet. Nun will ich natürlich nicht unsere Zeit- und Längenmessung ins Wanken bringen. Wer will das schon? Aber ich habe den Verdacht, dass die Standardlichtgeschwindigkeit c0 in unserer Region des Kosmos keine obere Grenzgeschwindigkeit des Lichtes im gesamten Universum sein muss. Ich frage mich nämlich nach der Ursache für die verschiedenen Lichtgeschwindigkeiten crel in durchsichtigen Medien. Unter einem solchen Aspekt wäre das interstellare Vakuum im erdnahen und sonnennahen Weltraum nur eine weitere Art optisches Medium mit einem zugegeben minimalen Brechungsindex und einer sehr hohen Ausbreitungsgeschwindigkeit c0. Warum sollte die Lichtgeschwindigkeit c0 in jedem beliebigen Vakuum absolut konstant sein? Warum könnte c0 nicht ebenfalls relativ und in anderen Regionen des Kosmos - z. B. weit entfernt von Materieansammlungen im intergalaktischen Vakuum - doch noch grösser sein? Andererseits: Warum sollte die Lichtgeschwindigkeit c im entgegengesetzten Falle im Inneren exotischer kosmischer Objekte bei extremster Dichte nicht noch langsamer sein als cDiamant und cRutil, nämlich crel â†’ 0 wegen l rel â†’ 0?
Die Geschwindigkeit ist der Weg, den irgendetwas während einer Zeit zurücklegt. Beim Licht und bei beliebigen anderen elektromagnetischen Wellen sind es die Schwingungen, die mit extrem hoher Geschwindigkeit fortgeleitet werden. Jede elektromagnetische Welle aus einer Unzahl verschiedenster Strahlungsarten hat eine bestimmte Frequenz n und unter bestimmten Umständen eine bestimmte Wellenlänge l. Den Zusammenhang beschreibt c = l∙n [m/s oder ms-1], in Worten: Meter pro Sekunde; oder in direkterem Bezug zum Schwingungsphänomen formuliert: Wellenlängen pro Sekunde, Schwingungsperioden pro Sekunde. Konzentrieren Sie sich darauf, was in der Lichtgeschwindigkeit c überhaupt nur variieren kann, wenn wir uns für ein bestimmtes Licht (oder allgemeiner: für eine bestimmte elektromagnetische Welleart) entschieden haben. Eine ganz bestimmte Art von Licht heisst physikalisch: monochromatisch (Licht einer ganz bestimmten Farbe). Da man aber bei anderen elektromagnetischen Wellen nicht überall von Farbe spricht, muss man sagen: Strahlung einer bestimmten Frequenz n. Als Variable bleibt einzig die Wellenlänge l übrig. Jeder Strahl durchläuft auf seinem Lebensweg nicht nur erdnahes Vakuum mit c0, sondern die verschiedensten kosmischen Regionen und die verschiedensten optischen Medien mit ihren jeweiligen crel, und jedes dieser crel besteht aus der gemäss Voraussetzung invarianten Frequenz n mono und der zugeordneten Wellenlänge l.
Wenn man diese Angelegenheit elementar-mathematisch betrachtet, dann liegen die Wertebereiche für die Geschwindigkeit c und die Wellenlänge l zwischen unendlich und Null ([→ Â¥ > c > â†’ 0] und [→ Â¥ >l> â†’ 0]). Die möglichen Frequenzen n  aus der Unzahl verschiedener Arten elektromagnetischer Wellen liegen gemäss c = l∙n  umgekehrt dazu [→ 0 < n < â†’Â¥]. c0 liegt nahe gegen unendlich, und tatsächlich galt die Lichtgeschwindigkeit in den Anfängen der Naturwissenschaften als unendlich und darf für pragmatische Überschlagsrechnungen im Vergleich zu anderen Geschwindigkeiten auch heute noch als unendlich gesetzt werden.
Obwohl die Frequenz n eines konkret betrachteten Lichtstrahls auf seinem Weg gleich bleibt, stellt sich bei jedem Wechsel des Mediums eine spezifische immer neue Geschwindigkeit ein. Die Wellenlänge l rel wird kleiner oder grösser und der pro Schwingungsperiode zurückgelegte Weg kürzer oder länger. Würde sich hingegen die Frequenz n ändern, dann entstünde ständig eine andere Art von Licht (bzw. elektromagnetischer Strahlung). Das aber ist beim Übergang von Licht aus Vakuum in beliebige durchsichtige Medien und umgekehrt nicht der Fall. Was aber passiert, wenn der nämliche Strahl auf seinem Lebensweg wieder ins Vakuum zurückkehrt? Natürlich: er nimmt wieder die im (erdnahen) Vakuum geltende Vakuumlichtgeschwindigkeit c0 ein. Ich jedenfalls bin davon überzeugt.
Was könnte die Ursache für die Geschwindigkeitsunterschiede in unterschiedlichen Medien sein? Was ist für die Ausbreitungsgeschwindigkeit auf dem Weg elektromagnetischer Wellen entscheidend? Die Wellenlänge. Gut. Verfolgen wir eine Welle bestimmter Frequenz, die aus dem Vakuum komme und in Luft eintauche. Ihre Geschwindigkeit wird kaum merklich langsamer. Die Wellenlänge l wird um eine Winzigkeit gestaucht. Was ist in Luft anders als im Vakuum? Der betrachtete Strahl tauche weiter ein in Alkohol, in Wasser, in Glas, in durchsichtige Plaststoffe, in glasklare Mineralien. Besonders stark wird die Geschwindigkeit durch Verkürzung der Wellenlänge lrel in Diamant (cDiamant; l Diamant) und in Rutil (cRutil; l Rutil) vermindert, natürlich für jede Frequenz des verwendeten Lichtes anders (Dispersion). Bis hierher trug ich Fakten zusammen und brachte sie in einen logischen Zusammenhang.
Was ist in optischen Medien anders als im Vakuum? Was ist im Hintergrund verantwortlich? Welche Eigenschaft des Vakuums und der optischen Medien hat Einfluss auf diesen Effekt der Stauchung oder Streckung der Wellenlänge l rel?
These: Die in der unmittelbaren Umgebung des Strahles herrschende Feldstärke hat Einfluss
       auf den Effekt der Stauchung oder Streckung der Wellenlänge l rel.

Die Feldstärke im Vakuum ist sehr viel geringer als in beliebigen optischen Medien. Sie richtet sich nach den speziellen Eigenschaften des Vakuums bzw. nach den speziellen stofflichen Eigenschaften des optischen Mediums; vielleicht besser formuliert: nach den Eigenschaften der unmittelbaren räumlichen Umgebung des Strahles, und das in der filigransten Auflösung, die man sich denken kann. Bei summarischer Analyse grösserer Raumgebiete richtet sie sich allerdings nach dem durchschnittlichen Wert. Je höher die Feldstärke, desto komprimierter der elektromagnetische Strahl und umgekehrt. Damit ergibt sich eine einleuchtende Erklärung für viele bekannte Phänomene. Wenn ein Interesse am postulierten Gesetz über die Abhängigkeit der Geschwindigkeit elektromagnetischer Wellen von der im jeweiligen Raum herrschenden Feldstärke besteht, dann sollte das durch sinnreiche Experimente gezielt geprüft werden.
Sollte sich das bestätigen, dann gibt es keine haltbare Begründung für eine absolut konstante Vakuumlichtgeschwindigkeit c0 als obere Grenzgeschwindigkeit des Lichtes oder anderer elektromagnetischer Wellen. Dann ist die Gültigkeit der Vakuumlichtgeschwindigkeit c0 auf den erdnahen Raum beschränkt. Schon für grösste Sonnenferne könnte sich eine sehr geringfügige Abweichung zeigen. Wir wissen es nicht, und auch ich kann nur meine Überlegung niederschreiben. Beweisen kann ich das nicht, aber ich kann Neugier wecken und Experimentatoren aufrufen. Die Möglichkeiten dafür sind im Vergleich zur Vergangenheit vielfältiger. Um die Neugier zu beflügeln, verweise ich auf die allererste erfolgreiche Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit, nachdem Galileo Galilei damit gescheitert war. Ole Rømer ermittelte die Lichtgeschwindigkeit an den Jupitermonden etwas höher als unsere Standard-Lichtgeschwindigkeit c0. War es ein verzeihlicher Messfehler oder hat Rømer wegen der grossen Entfernungen, die in die Rechnung eingingen, vielleicht richtiger gelegen als wir?
Wenn die Feldstärke im Vakuum des Weltraumes von der körperlichen Materie in der räumlichen Umgebung abhängt, dann könnte sie einerseits fern von Galaxien geringer und andererseits im Innern ausgefallener kosmischer Gebilde mit extremster Dichte grösser sein. Die Lichtgeschwindigkeit stiege dann mit wachsendem Abstand von Galaxien an (Vergrösserung der Wellenlänge lrel) und fiele im Innern kosmischer Objekte höchster Dichte ab (Verminderung der Wellenlänge l rel). Daraus würden sich für die Betrachtung kosmischer Ereignisse und für Weltmodelle neue überraschende Konsequenzen ergeben. Aber auch pragmatische Schlüsse sind möglich. Man könnte nach Stoffen suchen, die einen bedeutend höheren Brechungsindex haben als Diamant und Rutil. Man könnte den Brechungsindex messen, während der Druck in Gasen zunimmt. Man könnte - obwohl Wasser als inkompressibel gilt - die Lichtbrechung in Wasser der Tiefsee mit solcher nahe der Oberfläche vergleichen. In solche Gedanken reiht sich auch das Fermatsche Prinzip* ein, das für die Lichtbrechung in Luft mit abnehmender Höhe über der Erdoberfläche einen Anstieg des Brechungsindex aussagt.
Diese Überlegungen haben aber auch unbekannte Konsequenzen in unserer unmittelbaren Umgebung, wenn man sich klar macht, dass innerhalb der Feinststruktur aller Gase, Flüssigkeiten und festen Stoffe gravierende örtliche Feldstärkeunterschiede auftreten. Diesen Umstand hatte sich Max von Laue bei seinen Experimenten der Beugung von Röntgenstrahlen in Kristallgittern zu Nutze gemacht. Ich möchte durch den Hinweis auf die unüberblickbare Vielfalt in der Feinststruktur der Materie und die dort ununterbrochen herrschende Dynamik gewiss keine Verwirrung stiften. Ich lenke die Aufmerksamkeit nur pauschal auf das Innere von Teilchen mit Kern und Hülle. Schon im Hüllenbereich und noch mehr im Kernbereich wächst die Feldstärke extrem an. Das bedeutet unter den oben dargelegten Gesichtspunkten eine weitere Stauchung der Wellenlänge lrel in Kernnähe und im Innern der Atomkerne und damit eine weiter sinkende Lichtgeschwindigkeit crel wegen der abnehmenden Wellenlänge l rel. Man denke an die Angaben über die Werte der Feldstärke im Innern von Teilchen, deren Werte im Vergleich zu makroskopischen Feldern ≈1040 mal grösser sei. Hier eröffnet sich ein weites Feld für Experimentatoren. Besonders aussichtsreich erscheint mir, elektromagnetische Strahlen durch Räume bzw. Medien zu schicken, deren durchschnittliche Feldstärke sich während der Messung der variieren lässt.


*) Erwin Schrödinger: “Und wenn die Unterschiede in der Fortpflanzungsgeschwindigkeit auch nur äußerst gering sind, so fordert doch das Fermatsche Prinzip unter diesen Umständen, daß sich der Lichtstrahl erdwärts krümmt.”
»Was ist ein Naturgesetz?«, Antrittsrede an der Universität Zürich am 9.12.1922, München/Wien,1962, site 87/88 (Fig.2)

FermatschesPrinzipOpt
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