The Wayback Machine - https://web.archive.org/web/20120107214633/http://sites.google.com:80/site/clauserhardwimmer/raum

04 - Raum


Rechnender Raum

Konrad Zuse veröffentlichte 1969 einen Zeitschriftenartikel und ein Lehrheft mit dem Titel: "Rechnender Raum". Darin argumentiert er, dass unser Raum eine Art 3D-Gitter sein könnte. Eine wichtige Eigenschaft des Raumes ist die Ausbreitung kreisförmiger Wellen. Dazu vereinfacht Zuse den Raum als 2D-Gitter und zeigt in mehreren Rechenschritten, dass kreisförmige Wellen dadurch entstehen können, dass ein angeregter Punkt seine Energie an seine 4 rechtwinklig gelegenen Nachbarn verteilt und dabei nur die Grundrechenarten verwendet. Der Gedanke ist, dass die Welt ein riesiger Computer wäre. Das wurde auch von den Erfindern der zellulären Automaten aufgegriffen. Zuses Raum aber ist realistischer. Darin gibt es nicht nur qualitative Effekte sondern der Kreis ist eher quantitativ. Ich habe nun versucht, diesen Zuse-Raum auf dem PC zu simulieren. Der Kreis aus Zuses Beispiel wurde bei fortlaufendem Algorithmus unrund. Es gelang mir nicht, geeignete Korrekturfaktoren zu finden. Allerdings habe ich versucht, das Huygensche Prinzip anzuwenden. Somit sind alle Knotenpunkte des Gitters gleichberechtigt. Wellen und Gravitation würden sich durch gekoppelte Pendel oder durch Flutung wie in dem Kapitel über Kreisprozesse ausbreiten. Im Beispiel des Gitters hätte man zwei Energiespeicher, die durch einen Zeiger mit Radius und Winkel gekennzeichnet sind.
Gitter-1
Durch Addition der Anregungen (Beispiel-Knoten mit den Summenzeichen) kommt es zu einem kreisförmigen Wellen-System. Radius und Winkel ergeben sich somit aus Wechselwirkung und Addition. Es wird folgender Algorithmus für die beiden Speicher angewendet:

Beispiel - Teiler
t       := 4
Rechenschritte (abwechselnd)
self.s1 += (other.s2 - self.s2) / t
self.s2 -= (other.s1 - self.s1) / t

Hier werden wieder gekoppelte Pendel jeweils für alle Gitterpunkte simuliert. Erst nach Berechnen aller Punkte dürfen die Ergebnisse in den Knoten geschrieben werden. Das Schreiben erfolgt als Summieren der Wechselwirkungen aller 4 (oder 6) Nachbarn.

Gitter-2

Schneidet man ein Video aus dieser Simulation (z.B. mit MENCODER, siehe Kapitel mit den Kreisprozessen) so sieht man, dass trotz der Vorzugsrichtung die Ausbreitung der Wellenfronten gleichzeitig kreisförmig erfolgt. Die Ausbreitung in Vorzugsrichtung erfolgt zwar schneller aber mit verschwindend kleinem Zahlenwert. Auch sieht man auf dem Video Interferenzen durch Superposition. Am Rand des Raumes wird die Welle zurückgeworfen. Dieser Effekt lässt sich nur ganz schwer abstellen, z.B. durch Dämpfung mit einer Tiefe von 10 Pixeln.

Verschieden dichte Medien

Als Screenshots

Die folgenden Screenshots zeigen Wellen, die ein dichteres Medium, eine Linse, passieren. Man sieht, dass sich die Wellen im Medium langsamer bewegen und eine kürzere Wellenlänge haben. Nach dem Verlassen der Linse werden die Wellen auf einen Punkt gebündelt.

 Nummer   Screenshot
 #1 
 #2 
 #3
 
 #4 
 #5
 
 #6 
 #7 

Als Video

ZUSE space with Lens


Elektromagnetismus


Im Raum gibt es aber nicht nur Skalare Wellen sondern, mit dem Elektromagnetismus, auch Wellen, die jedem Punkt des Raumes einen elektrischen und magnetischen Vektor mit jeweils den drei Komponenten X, Y und Z zuordnen. Dazu habe ich versucht, eine Rechenregel mit Grundrechenarten zu finden. Sie könnte lauten:

Jeweils für alle Richtungen sinngemäß:

ez += (mx,[+y] - mx,[-y] - my,[+x] + my,[-x]) / 6
mz -= (ex,[+y] - ex,[-y] - ey,[+x] + ey,[-x]) / 6

Das entspricht dem Rotationsoperator (Korkenzieherregel), aber nur auf die jeweils direkten rechtwinkligen Nachbarn angewendet. Durch Zwischenspeichern der Ergebnisse und Mittelung aller direkten Nachbarn nach dem Rechenschritt entstehen kreisförmige Wellen. Diese Wellen kann man überlagern. Sie werden aber nicht vom Rand des Raumes zurückgeworfen. Mit MENCODER kann man wieder ein Video der Simulation schneiden. Es ist erforderlich, eine Schnittebene in den Raum zu legen, der diesmal drei Dimensionen hat. Die Anregung eines Knotenpunktes kann man nicht als Skalar zeigen, sondern dieser Skalar ist künstlich durch Addition der beiden Komponenten errechnet, die die Schnittebene bilden.

Zuse Raum elektrodynamisch

Welle und Teilchen

Eine wichtige Eigenschaft, die hier nicht gezeigt wird, sind Teilchen im Raum und ihre Kräfte. Es wäre möglich, in jedem Knoten des Gitters eine Datenstruktur zu hinterlegen. Diese Struktur würde eine Masse, die Geschwindigkeitskomponenten X, Y und Z sowie einen Zähler für jede Komponente enthalten. Bei jedem Rechenschritt des Raumes würden die Zähler entsprechend dem Wert der Geschwindigkeit erhöht oder verringert. Durchläuft ein Zähler die Null, dann wird die gesamte Struktur ausgeschnitten und auf den Nachbarpunkt übertragen (Cut & Paste).

Nun soll der Massepunkt aber auch eine Trägheit haben und er soll über Kräfte mit seiner Umgebung wechselwirken. Dafür habe ich keine konkrete Lösung anzubieten. Grundsätzlich könnten die Geschwindigkeitskomponenten des Punktes wiederum durch Wellen im Raum verändert werden. Das wäre praktisch, denn der Punkt würde sich dann niemals schneller als die Wellenfronten bewegen, obwohl er es in der Vorzugsrichtung könnte.

Forderungen an den Raum

Durch Messung und Schlussfolgerung hat man verschiedene Eigenschaften des Raumes gefunden, die auch die Simulation als Rechnender Raum erfüllen müsste.

Das Michelson-Morley-Experiment zeigt, dass die Lichtgeschwindigkeit im Raum unabhängig von einem Bezugssystem ist. Was würde geschehen, wenn man sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegt und einen Lichtstrahl nach vorne aussendet? Wenn der Abschnitt "Welle und Teilchen" zutrifft, dann würden Sender und Licht einen Punkt in Fahrtrichtung gleichzeitig erreichen. Auf Grund der relativistischen Geschwindigkeit würde es keiner merken, weil die messbaren Größen Masse, Zeit und Weg eine Umwelt mit der absoluten Geschwindigkeit Null vorgaukeln.

Nun darf der Raum aber auch keine Vorzugsrichtung haben. Das ist für Wellenfronten, wie oben gezeigt, täuschend echt erreicht. Man müsste es nun auch für die Geschwindigkeit von Teilchen implementieren, indem man die Beschleunigung, wie ebenfalls oben gezeigt, von den Wellenfronten abhängig macht. Das würde dann für die Gravitation selbst, aber auch für die drei elektromagnetisch ableitbaren Kräfte (für Wechselwirkungen) gelten.

Durch die Kreisform ist bereits das Euklidische Abstandsmaß realisiert. Es scheint auf dem numerischen Kontrakt zwischen den beiden Speichern s1 und s2 der Gitterpunkte zu beruhen. Die Zahl zwei würde dann nicht von den drei Raumdimensionen sondern von den zwei Speichen abhängen und sie wäre deshalb genau ganzzahlig.

Zuletzt scheinen Bau-Design und einige Raumeigenschaften völlig in der Luft zu hängen. Aber wir sind ziemlich sicher, dass der Raum genau drei orthogonale Dimensionen (Länge, Breite und Höhe) hat, in denen man einen Körper drehen kann. Wie es zu diesen drei Dimensionen kommt, darüber will keiner spekulieren (oder er darf es nicht). Eine mögliche Erklärung wäre das 3D-Gitter des Zuse-Raumes. Dann muss man aber auch, wie oben versucht, Lichtgeschwindigkeit und fehlende Vorzugsrichtung mit den feststehenden Raumpunkten vereinbaren.

Sign in  |  Recent Site Activity  |  Terms  |  Report Abuse  |  Print page  |  Powered by Google Sites