CERN-Neutrinoexperiment: Austausch zwischen Dr. Wolfgang Engelhardt und der PTB vom 15./17.04.2013

von Wolfgang Engelhardt

Wir verweisen weiter auf die Anfrage von Jocelyne Lopez und Ekkehard Friebe an die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) aus dem Jahre 2012 über die Klärung der Frage, wie die Uhren beim Neutrino-Experiment (CERN) synchronisiert wurden, siehe komplette Zusammenstellung der Austausche in diesem Blog:
Neutrino-Experiment: Anfrage an die Physikalisch-Technische Bundesanstalt.

Am 31. März 2013 schrieb Dr. Wolfgang Engelhardt in diesem Zusammenhang einen Brief an den Präsidenten der PTB, siehe: CERN-Neutrinoexperiment: Brief von Dr. Wolfgang Engelhardt an die PTB.

Nachstehend geben wir die weitere Entwicklung in diesem Kontext wieder:

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15.04.2013 – Antwort der PTB auf das Schreiben von Dr. Wolfgang Engelhardt vom 31.03.2013:

Sehr geehrter Herr Engelhardt,

der Präsident hat mich gebeten, Ihnen zu antworten.

Wir bekommen gelegentlich Bürgeranfragen zu physikalischen Themen, die wir auch alle so zu beantworten versuchen, dass dem Fragesteller weitergeholfen ist, soweit wir das neben unseren eigentlichen Aufgaben leisten können. Eine Funktion als allgemeiner Auskunftsdienst zu Grundfragen der Physik können wir allerdings nicht flächendeckend ausfüllen, einfach weil wir dazu nicht die zeitlichen Freiräume haben. Daher hatte ich in meinem letzten Brief an Frau Lopez um Verständnis dafür gebeten, dass wir sie mit ihren speziellen Fragen nunmehr an andere Quellen verweisen müssen, zum Beispiel fortgeschrittene Fachbücher der Physik oder Spezialbücher zur Satellitennavigation.

Das Thema Relativitätstheorie erregt auch nach über hundert Jahren noch die Gemüter. Es ist nicht immer leicht, die daraus folgenden Konsequenzen zu akzeptieren, weil sie sich oftmals der Anschauung entziehen oder ihr gar eklatant widersprechen. Ich kann mich noch daran erinnern, wie ich in meiner eigenen Studienzeit damit kämpfen musste, mich statt auf die Intuition auf die Rechnung und ihre Ergebnisse zu verlassen, bzw. auf das, was experimentell bestätigt wurde.

Zum Inhaltlichen sei hier abschließend nur so viel gesagt, dass gerade das Funktionieren der Satellitennavigationssysteme ein für jeden greifbarer Beweis ist, dass sowohl die spezielle als auch die allgemeine Relativitätstheorie gelten und berücksichtigt werden müssen.

Die spezielle Relativitätstheorie besagt, dass eine Uhr in einem bewegten Bezugssystem aus Sicht eines anderen Systems langsamer geht (der Effekt, der in Verbindung mit Beschleunigungseffekten auch im bekannten Zwillings-Paradoxon zum Tragen kommt). Für einen typischen GPS-Satelliten auf seiner Bahn um die Erde macht das 7,2 Mikrosekunden pro Tag aus, um die seine Uhr aus Sicht der Erdoberfläche nachgeht.

Die allgemeine Relativitätstheorie wiederum besagt, dass eine Uhr in einem starken Gravitationspotential (z. B. auf der Erdoberfläche) langsamer geht als eine in einem schwachen Potential (z. B. in einem GPS-Satelliten in etwa 20 000 km Höhe). Dieser Effekt bewirkt bei der typischen Bahnhöhe eines GPS-Satelliten ein Vorgehen der Satellitenuhr um 45,6 Mikrosekunden pro Tag.

In der Summe also geht eine GPS-Satellitenuhr 38,4 Mikrosekunden pro Tag vor. Oder besser gesagt, sie würde vorgehen, wenn sie vor dem Start des Satelliten, auf der Erdoberfläche, richtig gehen würde. Tatsächlich allerdings werden die Uhren so eingeregelt, dass sie auf der Erde etwas zu langsam gehen (eben um 38,4 Mikrosekunden pro Tag), damit sie im Erdorbit dann ungefähr richtig gehen. Die restlichen Abweichungen, die z. B. von den genauen Parametern der tatsächlichen Flugbahn des  jeweiligen Satelliten abhängen, können durch entsprechende Maßnahmen der Bodenstationen bzw. im Empfänger des GPS-Signals herausgerechnet werden.

Für die Details der Rechnungen in der GPS-Empfänger-Software sind wir als PTB, wie ich auch Frau Lopez mehrfach geschrieben habe, nicht die richtigen Ansprechpartner. Es gibt ganze Universitätsinstitute für Geodäsie, Erdvermessung o. ä., die auf diesem Gebiet forschen. Die PTB baut keine Satellitenterminals, sondern nutzt sie nur, um damit Zeitvergleiche zu machen — und diese Vergleiche funktionieren bei uns und unseren Kollegen routinemäßig überall auf der Welt und seit Jahrzehnten. Es gibt für uns daher keinen Anlass, an der Richtigkeit der Software zu zweifeln.

Auch Ihnen gegenüber möchte ich daher wiederholen, was ich Frau Lopez geschrieben hatte, und Sie um Ihr Verständnis bitten: Bitte suchen Sie Rat in Fachbüchern bzw. bei den Experten für Relativitätstheorie oder für GPS-Empfänger-Software. Wir als PTB können Ihnen hier nicht mehr weiter behilflich sein.

Mit freundlichen Grüßen
R. Wynands
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Priv.-Doz. Dr. Robert Wynands
Leitung Präsidialer Stab / Head: Presidential Staff
Physikalisch-Technische Bundesanstalt

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17.04.2013 – Erwiderung von Dr. Wolfgang Engelhardt:

Ihre e-Mail vom 15. Apr. 2013

Sehr geehrter Herr Wynands,

vielen Dank für Ihre e-Mail vom 15. April 2013, mit der Sie mein Schreiben vom 31. März an den Präsidenten der PTB beantworten. Aus Ihren Einlassungen muss ich erkennen, dass Sie die Natur der Anfragen von Frau Lopez und von mir selbst gar nicht einzuschätzen wissen. Sie werden nämlich nicht als „allgemeiner Auskunftsdienst zu Grundfragen der Physik“ missbraucht, sondern es geht darum, widersprüchliche Aussagen, die verschiedene Personen Ihrer Anstalt gemacht haben, für die Öffentlichkeit klarzustellen. Zu Ihrer Entlastung muss ich sagen, dass Sie und Ihr Präsident zum Zeitpunkt des Neutrino-Experiments noch nicht im Amt waren, so dass Ihnen offenbar die Informationen zu diesem Vorgang fehlen. Lassen Sie mich daher kurz die wichtigsten Details der Vorgeschichte darstellen, die Sie jedoch auch meiner Korrespondenz mit der PTB oder der Diskussion im Blog von Dr. Markus Pössel entnehmen können.

Nachdem im Herbst 2011 aufgrund der Messungen des OPERA-Teams Vermutungen geäußert wurden, dass die Geschwindigkeit der Neutrinos womöglich größer als die des Lichts sei, habe ich bei Prof. Ereditato angefragt, ob man denn den Sagnac-Effekt bei der Datenauswertung berücksichtigt habe. Er bedeutete mir, dass dies bei der direkten Laufzeitmessung nicht der Fall gewesen war. Ob der Effekt bei der Uhrensynchronisation, wo er viel stärker zu Buche schlägt, in Rechnung gesetzt worden war, konnte Prof. Ereditato nicht sagen, weil sich das OPERA-Team nicht um dieses Detail gekümmert habe. Ich solle mich an die PTB wenden, um nähere Auskünfte zu erhalten. Eine Bemerkung im OPERA-Report, nämlich dass die Standard-GPS-Empfänger bei CERN und LNGS nur über eine Genauigkeit von ca. 100 ns verfügen, ließ mich aufhorchen. Es waren offenbar erhebliche Anstrengungen nötig, die standardmäßige Technik des Zeitvergleichs um weit mehr als eine Größenordnung an Genauigkeit zu verbessern. Ihre Bemerkung, man führe solche Vergleiche schon „seit Jahrzehnten“ durch, geht daher ins Leere.

Umso überraschter war ich zu erfahren, dass die PTB einen relativ jungen Physiker mit dieser schwierigen Aufgabe allein betraut hatte. Noch größer wurde meine Verwunderung, als Dr. Bauch sich weigerte, den Kontakt zu Dr. Feldmann herzustellen, den ich gerne befragt hätte, wie er die Synchronisierung vorgenommen hatte, zumal der Sagnac-Effekt in seinem Report mit keinem Wort erwähnt war. Dr. Bauch behauptete, dass „die Regeln der SRT sicher gestellt“ gewesen seien, was wohl heißen sollte, dass man Voigts irrtümliche Annahme, die Einstein 1905 übernommen hatte, nämlich dass die Lichtausbreitung unabhängig von der Geschwindigkeit sowohl des Senders als auch des Empfängers sei (c = const), der Datenauswertung zugrunde gelegt habe. Dies hätte bedeutet, dass man den Sagnac-Effekt, der dieser Annahme widerspricht, tatsächlich nicht berücksichtigt hatte. Vorsichtshalber habe ich damals beim ehemaligen Präsidenten Prof. Göbel noch einmal nachgefragt und erhielt von ihm, der damals eigenhändig geantwortet hat, die gegenteilige Auskunft, dass der Sagnac-Effekt korrekt berücksichtigt worden sei, also c ± v statt c = const angenommen wurde. Leider hat man sich damals einer Diskussion bzw. Aufklärung der widersprüchlichen Aussagen verweigert, so dass die Diskussion in den Blog von Dr. Pössel verlagert wurde. Sie kennen das Ergebnis: N. Ashby verwendet zur Datenauswertung die Transformation t´ = t, also nicht die Lorentz-Transformation, sondern die Galilei-Transformation.

Frau Lopez wollte die Widersprüche nicht auf sich beruhen lassen und von der PTB gewissermaßen eine `amtliche´ Bestätigung erhalten, dass sie in Übereinstimmung mit der Aussage ihres Präsidenten, sowie mit N. Ashby den Sagnac-Effekt c ± v berücksichtigt. Leider haben Sie ihre konkret gestellten Fragen nie ebenso konkret beantwortet, sondern lediglich eingestanden, dass Sie selbst nicht wissen, welche Annahme der Synchronisierung zugrunde gelegt wurde. Dies wirft natürlich kein gutes Licht auf die Seriosität Ihrer wissenschaftlichen Arbeit, denn wenn so einschneidende Folgerungen gezogen werden, wie es beim Neutrino-Experiment der Fall war, müsste man sich darauf verlassen können, dass die PTB wenigstens weiß was sie tut. Schließlich fußen die CERN-Ergebnisse auch auf der aufwändigen Synchronisationsprozedur der PTB.

Auch die kürzlich erfolgte neuerliche Anfrage von Frau Lopez wurde mit ausweichenden und nichts sagenden Bemerkungen `abgewimmelt´, die Sie teilweise auch in Ihrem Brief an mich wiederholen. Frau Lopez hatte eine einschlägige Arbeit recherchiert, welche klar erweist, dass die Lorentz-Transformation keinen Eingang in die GPS-Technologie gefunden hat. Es wäre Ihnen gut angestanden, diese Arbeit selbst herauszufinden, statt die Recherche einem physikalischen Laien zu überlassen.

Leider muss ich Sie nun darüber belehren, dass Ihre Aussage: „ … dass gerade das Funktionieren der Satellitennavigationssysteme ein für jeden greifbarer Beweis ist, dass sowohl die spezielle als auch die allgemeine Relativitätstheorie gelten und berücksichtigt werden müssen“ schlicht falsch ist und daher des Widerrufs, bzw. der Präzisierung auch gegenüber Frau Lopez und der Öffentlichkeit bedarf. Offenbar haben Sie gar nicht verstanden, dass der Sagnac-Effekt ein Effekt erster Ordnung in v/c ist, der schon aus der alten Äthertheorie folgt und der Lorentz-Transformation glatt widerspricht. Diese enthält den ebenfalls in v linearen Term x v/ c2 , der den Sagnac-Effekt bei der Zeit-Transformation zum Verschwinden bringt und somit c =const bewirkt. Von Michelson-Gale wurde aber c ± v gemessen, d.h. die Lorentz-Transformation muss fallen gelassen werden, was in der GPS-Technologie auch stattfindet. Das geht aus den Arbeiten von Ashby und aus der Arbeit von Fliegel und DiEsposti klar hervor. Besonders pointiert wird dies durch die von Frau Lopez zitierte Bemerkung von Caroll Alley zum Ausdruck gebracht: there’s nothing of that at all modeled in the current system.“ 

Was Sie zu den quadratischen Effekten des Y–Faktors sowie zu den Effekten der ART sagen, hat im Zusammenhang mit dem linearen Sagnac-Effekt keine Relevanz. Darüber ließe sich eine eigene Diskussion führen, zu der Sie aber sicher nicht bereit sind, wenn Sie schon die Diskussion der Physik, die für Ihre eigenen Synchronisationsprozeduren relevant ist, aussparen möchten.

Ihnen alles Gute und Ihrem Präsidenten
freundliche Grüße von

(Wolfgang Engelhardt)

cc: Frau Lopez, OSTR Rösch

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Siehe auch in diesem Zusammenhang:

CERN-Neutrinoexperiment: Petition beim Deutschen Bundestag vom 11.08.2013

CERN-Experiment: Die Petition vom 11.08.13 beim Bundestag wird nicht veröffentlicht

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2 Antworten zu “CERN-Neutrinoexperiment: Austausch zwischen Dr. Wolfgang Engelhardt und der PTB vom 15./17.04.2013”

  1. Bernhard Berger

    @Dr. Wolfgang Engelhardt

    bravo, immer weiter so :-)

    Jedoch möchte ich noch ein paar (laienhafte) Bemerkungen zu elektromagnetischen Wellen machen und dem Charakter von Uhren machen.
    Für mich hat es den Anschein, dass Licht und Elektromagnetische Welle gleich gestellt wird. So als wäre das Licht eine sehr kurze elektromagnetische Welle. Dies scheint mir falsch zu sein, denn der Licht-Sender erzeugt kein elektromagnetisches Feld! Jedoch ein Dipol eines Radiosenders erzeugt ein elektromagnetisches Feld welches sich im Medium mit der dem Medium charakteristischen Ausbreitungsgeschwindigkeit ausbreitet. Verändert der Sender/Empfänger seine Position verlängern oder verkürzen sich die durch den Sender erzeugten elektromagnetischen Wellen. Den selben Effekt kann man bei den Schallwellen beobachten. Dem Doppler-Effekt. Daher bin ich der Ansicht, dass für elektromagnetische Wellen (Felder) immer die Bewegung des Senders und des Empfängers zu berücksichtigen sind weil die erzeugte Welle direkt von der Position des Senders während der Erzeugung der Welle abhängig ist.

    Eine Uhr hat die Aufgabe den „Tag“ in 24 Stunden einzuteilen. Und dem Tag ist es egal welches Instrument ihn irgendwie einteilt. Der Kern der SRT ist, wenn ich es richtig verstanden habe, nicht die Berücksichtigung dass Uhren unter bestimmten Voraussetzungen langsamer laufen, sondern dass real die „Zeit“ langsamer „vergehen“ sollte. Würde die SRT bei der Satelliten Navigation einen realen Effekt haben, so würde sich der Satellit in „Bewegungsrichtung“ in der „Vergangenheit“ und bei den anderen beiden Dimensionen in der Gegenwart befinden. Ein Satellit ist aber keine „Welle“ und auch kein „elektromagnetisches Feld“ sondern ein „Teilchen“ wieso wird dann auf den „Satelliten“ Wellen-/Feldcharackter angewendet? Also kann die SRT nicht auf den „Satelliten“ ‚an sich’ angewendet werden. Ein Beispiel macht das deutlicher:
    Ein Überschallflieger erzeugt Schallwellen, deren Wellenlänge in Flugrichtung mit zunehmender Geschwindigkeit immer kürzer werden bis es zum Überschallknall kommt. Niemand ist jemals auf die Idee gekommen den Doppler-Effekt auf den Überschallflieger selbst anzuwenden! Würde man nun die Lorentz-Transformation auf den Überschallflieger mit der typischen Schallgeschwindigkeit als Referenzgeschwindigkeit anwenden, dann müsste sich der Überschallflieger immer mehr verkürzen. Tut er aber nicht.

    Wie auch immer, mir scheint, dass viele die SRT (wie auch ich) wohl nicht wirklich verstanden haben. Mir fehlt dabei offensichtlich der „spezielle“ Verstand. Und ich kann im besten willen nicht begreifen wieso man Wellen/Feld Formeln an „Teilchen“ (Satelliten) anzuwenden versucht.

    In meinen Augen ist die integration der SRT bei der Satelliten Navigation ein Täuschung um die SRT zu retten. Und so wie es aussieht plappern viele seit über 100 Jahren nach was andere vorgeplappert haben.

  2. mano4848

    Was ist falsch an (m)einer Überlegung zur Neutrinomasse?

    https://www.youtube.com/watch?v=EniVcta_sB8

    Grundlage ist die ART in Verbindung mit der Thermodynamik. Was ist, wenn die ART wieder in erster Näherung recht behält?

    Es gilt der erste und zweite Hauptsatz. Mehr ist in der ART dieses Mal – für eine freies Elektron – nicht vorausgesetzt.

    Die Frage ist ernst gemeint und verpflichtet zu einer ernst gemeinten Antwort

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