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Christian Doppler und die falsche Erklärung der Sternfarben: Die Science Busters kommen nicht nach… Salzburg

Von / 16. April 2020 / 22 Kommentare
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Heute morgen wäre ich in Salzburg aufgewacht. Ich wäre ein wenig an der Salzach laufen gegangen oder vielleicht sogar den Gaisberg hinaufgelaufen. Und hätte mich dabei von der vermutlich langen Nacht davor erholt. Ich wäre wahrscheinlich erst lange nach Mitternacht ins Hotelbett gefallen; nach einem Auftritt der Science Busters mit unserem aktuellen Programm “Global Warming Party”, nach Gesprächen mit dem Publikum und einer “Nachbesprechung” mit den Kollegen im Theaterlokal. Aber weil seit März und bis in eine nicht absehbare Zukunft alle Veranstaltungen abgesagt sind, habe ich all das nicht gemacht. Ich hab sogar vergessen, rechtzeitig einen weiteren Artikel in meiner Serie zur abgesagten Science-Busters-Tour zu schreiben! Ich hab ja schon davon erzählt wie wir nicht in Wildon waren, dann nicht in Wien, danach nicht in Passau und nicht in München, nicht in Ingolstadt und nicht in Grafenwörth. Überall dort wo wir nicht waren gibt es aber trotzdem etwas über Wissenschaft zu lernen und was das sein könnte, habe ich in den entsprechenden Artikeln erklärt. Mit einem Tag Verspätung erzähle ich euch jetzt also etwas über die Wissenschaft der Stadt Salzburg. Nichts neues, leider – zumindest für die, die mein Blog regelmäßig verfolgen (mir fehlt aktuell leider die Zeit; der ganze Verdienstausfall muss ja irgendwie kompensiert werden…). Im Jahr 2017 habe ich schon mal über den wichtigsten Wissenschaftler der Stadt geschrieben: Über Christian Doppler, der versucht hat die Sterne zu erklären, dabei gescheitert ist und dennoch die Naturwissenschaft bis heute prägt. Und weil Dopplers Arbeit in der Zwischenzeit um nichts weniger relevant geworden ist, gibt es den Artikel jetzt einfach nochmal!

Viel Spaß damit und bis bald, wenn die Science Busters nicht in Leipzig auftreten werden!

Als Christian Doppler einmal aus den falschen Gründen eine großartige Idee hatte

Am 25. Mai 1842 hat Christian Doppler in der Prager Akademie der Wissenschaften einen Vortrag gehalten. Das Thema lautete “Über das farbige Licht der Doppelsterne und einiger anderer Gestirne des Himmels”. Der Salzburger Physiker erklärte darin eine Reihe astronomischer Phänomene und zwar aus heutiger Sicht alle komplett falsch. Das womit er sie erklären wollte prägt unsere Welt aber heute wie kaum ein anderes Konzept aus der Wissenschaft: Der Doppler-Effekt.

Wohnhaus von Christian Doppler in Salzburg

Wohnhaus von Christian Doppler in Salzburg

Um was es sich beim Doppler-Effekt handelt sollte man eigentlich nicht erklären müssen; das sollten alle in der Schule gelernt haben. Sendet eine Schall- oder Lichtquelle Signale aus, dann verändern sich die Signale je nachdem ob und wie schnell sich die Quelle oder der Beobachter der Signale bewegen. Deswegen verändert sich der Sirenenton eines an uns vorüber fahrenden Einsatzfahrzeuges; deswegen hören sich Rennautos für die Zuschauer genau so an wie sie sich anhören, und so weiter. Diese akustischen Auswirkungen des Doppler-Effekts erleben wir heute ständig im Alltag – Christian Doppler konnte das damals in der ersten Hälfte des 19. Jahrhunderts nicht erleben. Damals gab es nichts, dass sich so schnell bewegte als das man da etwas hören konnte (und auch die Geschichte vom Test mit dem Orchester auf dem Eisenbahnwagon hat er später stattgefunden als es entsprechende Eisenbahnen gab und nicht zu Dopplers Zeit).

Christian Doppler hatte den nach ihm benannten Effekt daher nicht anhand des Schalls untersucht sondern sich auf das Licht konzentriert. Außerdem war er ja auch Astronom und er dachte das man am Himmel die Auswirkungen des Doppler-Effekts am besten studieren kann. Dass Sterne unterschiedliche Farben haben, hatten die Astronomen damals schon beobachtet. Aber man wusste nicht so genau warum das so war. In seiner Arbeit (die hier im Volltext gelesen werden kann) berechnet er wie schnell sich Sterne am Himmel bewegen müssen so dass wir das von ihnen ausgesandte Licht in entsprechen anderen Farben wahrnehmen. Denn so wie der Signalton eines Einsatzfahrzeuges höher wird wenn es sich auf uns zu bewegt und tiefer, wenn es sich entfernt muss auch das Licht der Sterne bläulicher werden wenn sie auf uns zukommen und rötlicher wenn sie sich von uns wegbewegen.

Doppler führt in seiner Arbeit eine ganze Reihe an Phänomenen an, die seiner Meinung nach durch diesen Effekt erklärt werden können. Farbige Doppelsterne zum Beispiel aber auch die beiden “neuen Sterne” die Tycho Brahe und Johannes Kepler 1572 und 1604 entdeckt hatten. Das, so Doppler, wären Sterne die sich so enorm schnell bewegt hatten, dass die Farbe ihres Lichts komplett aus dem für uns sichtbaren Bereich verschoben worden ist. Erst als sie kurzfristig ein wenig langsamer wurden, konnten wir sie sehen.

Heute wissen wir natürlich, dass die beiden “neuen Sterne” gewaltige Supernova-Explosionen waren bei denen Sterne am Ende ihres Lebens noch einmal kurz so richtig hell aufleuchten. Und wir wissen auch, dass die Sterne unterschiedliche Farben haben weil sie unterschiedliche Temperaturen haben. Sie bewegen sich zwar auch und dadurch verändert sich ihre Farbe ebenfalls – aber zur Zeit Dopplers waren die Beobachtungsmethoden nicht genau genug um das wirklich messen zu können.

Das, was Doppler in seiner Arbeit aus dem Jahr 1842 über die Astronomie geschrieben hat ist im wesentlichen falsch. Der grundlegende Effekt dagegen ist absolut richtig und umso wichtiger! Dopplers Entdeckung das es bei der Untersuchung von Licht- oder Schallwellen auf die Relativgeschwindigkeit zwischen Quelle und Beobachter ankommt bzw. dass man aus der Veränderung im Signal auf die Geschwindigkeit zwischen Quelle und Beobachter schließen kann war genial und beeinflusst unsere Welt heute massiv. Der Doppler-Effekt wird in der Verkehrsüberwachung eingesetzt, in der Luftraumkontrolle, bei der Wettervorhersage, bei unzähligen technischen Prozessen, überall in der Medizin und in jeder Menge anderen Tätigkeitsfeldern wo man ihn vermutlich gar nicht vermuten würde.

Ich habe das alles sehr viel ausführlicher kürzlich in in einem Artikel für das Magazin “Profil” beschrieben und dort auch über die Astronomie gesprochen. Denn auch wenn Doppler damals bei der Erklärung astronomischer Phänomene falsch lag, ist der Doppler-Effekt heute in der Astronomie kaum mehr wegzudenken. Ohne ihn geht quasi gar nichts. Wir haben damit die ersten Exoplaneten entdeckt; wir haben dunkle Materie und dunkle Energie identifiziert; wir finden damit heraus wie es im Inneren der Sterne aussieht und welche Form Asteroiden haben. Wir untersuchen damit die Bewegung von Doppelsternen und die Expansion des Universums.

(Kurzer Einschub: Immer wenn ich irgendwo etwas über die astronomischen Anwendungen des Doppler-Effekts lese, dann taucht dort fast immer die “Warnung” auf, man dürfe auf keinen Fall die kosmologische Rotverschiebung mit dem klassischen Doppler-Effekt verwechseln. Und ich frage mich jedesmal: Warum? Klar, wenn sich das Licht eines Sterns in Richtung rot verschiebt weil er sich von uns entfernt, dann passiert das, weil sich der Stern tatsächlich durch den Raum bewegt. Wenn wir das Licht ferner Galaxien ins Rote verschoben sehen, dann passiert das, weil sich der Raum selbst ausdehnt; die Galaxie sich aber NICHT durch den Raum bewegt. Aber das grundlegende Phänomen ist ja das gleiche; die Distanz zwischen Quelle und Beobachter verändert sich und deswegen verändert sich auch das Signal. Wieso also immer die “Warnung”?)

Christian Doppler hat ein äußerst interessantes Leben geführt. Vom Sohn eines Steinmetzes zum ersten Professor für Experimentalphysik an der Uni Wien. Er hat noch viel mehr gemacht als “nur” den nach ihm benannten Effekt zu untersuchen und selbst der hat ihm nicht den Ruhm eingebracht den er verdient hätte. Stattdessen heftige Angriffe von Kollegen die das Phänomen als “zu trivial” betrachtet haben um es ernst zu nehmen bzw. die Existenz des Effekts gleich ganz leugneten (auch dazu steht mehr in meinem Artikel fürs “Profil”). Und dann starb er schon mit 50 Jahren und wurde seitdem im wesentlichen vergessen.

Mozart-Overkill in einem Salzburger Schaufenster

Mozart-Overkill in einem Salzburger Schaufenster

In Salzburg trifft man immer noch fast ausschließlich auf Mozart und wer nicht weiß, dass dort auch ein so wichtiger Physiker wie Doppler seinen Ursprung hatte, der käme kaum auf die Idee. Obwohl ich immerhin bei meinem letzten Besuch in einer Konditorei neben Unmengen an Mozartkugeln auch eine kleine Schachtel mit Doppler-Kon(ef)fekt entdeckt habe!

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Die abgesagteste Tour des Wissenschaftskabaretts

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Kommentare (22)

  1. #1 hasta la proxima
    Irgendwo im Flachgau
    16. April 2020

    Extrem schade! Ich hab mich so auf Euch gefreut. Weißt Du eigentlich, Florian, dass es in Salzburg eine neue Sternwarte gibt? Mit einem extrem coolen ASA-Teleskop? Liegt ein wenig außerhalb der Stadt, auf dem wunderschönen Haunsberg.
    LG Hasta

  2. #2 Carsten Reese
    Schwanewede
    17. April 2020

    Im “Haus der Natur” in Salzburg gibt es eine Dauerausstellung zu Doppler – da merkt man, wie stolz die Salzburger auf diesen Sohn der Stadt sind. Auf recht viel Fläche werden ganz viele Anwendungsbeispiele gezeigt und erlebbar gemacht. Aber klar, Mozart ist präsenter.

  3. #3 rolak
    17. April 2020

    Passend gekommener Artikel mit der Anleitung zum SelberDoppeln: Experimentelles Doppler-Radar.

  4. #4 kereng
    Hamburg
    17. April 2020

    Ich habe nach “Mauersegler” und “Doppler” gegoogelt, und die Ergebnisse legen nahe, dass man den Effekt auch damals schon hören konnte.

  5. #5 Aginor
    17. April 2020

    @kereng
    Daran habe ich auch gedacht. Glaube aber dass das nie so herausgestochen hat dass es jemand untersucht hätte, und auch die Reproduzierbarkeit ist da eher mau.
    Oft ist Wissenschaft ja darin begründet dass man ein gut zu beobachtendes Phänomen hat, und dafür Erklärungen sucht. So ja auch bei Doppler.

    Umgekehrt ist es natürlich einfach, wenn man den Effekt kennt dann findet man selbst mit Mittelaltertechnologie Möglichkeiten zum reproduzieren und untersuchen ohne dass er in anderen Effekten untergeht. Ein Heulpfeil, abgeschossen von einem Bogen müsste schnell genug sein. Zur Not nimmt man einen entsprechenden Armbrustbolzen.
    Oder man baut etwas das man aus einer Kanone abfeuert oder so.
    Oder wirft etwas das einen Ton erzeugt von einer hohen Klippe.

    Die Geschwindigkeiten bei denen der Effekt hörbar wird sind ja nicht sooo hoch. Bei den Trompetern auf dem Zug waren es IIRC 70 km/h für eine Änderung um einen Halbton.

    Gruß
    Aginor

  6. #6 Aginor
    17. April 2020

    Nachtrag:

    Und natürlich funktioniert der Dopplereffekt auch bei anderen Wellen. Wenn man schon weiß dass Schallwellen Wellen sind, was Frequenzen und Schallgeschwindigkeiten sind, dann kann man auch Wellen in Wasser anschauen und dadurch sagen dass es bei Schall und Licht ähnlich sein muss.

    Der Effekt war sicherlich bekannt, daher kam evtl. auch die Einschätzung von Dopplers Kollegen die meinten dass das ganze trivial und nicht untersuchenswert sei.

    Gruß
    Aginor

  7. #7 JoselB
    17. April 2020

    @Florian: Zu deinem Einschub. Ich sehe das ähnlich wie du, genaugenommen ist es der gleiche Effekt. Ich denke, der Unterschied ist, dass es einen klassischen Dopplereffekt Versuchsaufbau gibt, der sich im Normalfall auf alle klassischen Effekte anwenden lässt, ohne dass man viel drüber nachdenken muss:
    – Man kann den ruhenden Empfänger als Beobachter wählen. Der sich radial bewegende Sender sendet dann direkt (rot/blau)-verschobene Strahlung aus.
    – Wählt man den Sender als ruhenden Ursprung des Koordinatensystems, dann ist die Strahlung nicht Farb-verschoben und wird nur vom sich radial bewegenden Empfänger so empfangen.
    – Bei der kosmologischen Rotverschiebung gibt es kein so ausgezeichnetes Bezugssystem und man muss die Beschleunigung aus der Expansion entlang dem Lichtstrahl integrieren um die Relativgeschwindigkeit zu bekommen
    Man könnte aber auch einfach ein Koordinatensystem definieren, in dem für jeden Punkt des Lichtkegels die Raumzeit als nichtexpandierend definiert wird. In diesem System ist die kosmologische Rotverschiebung ein klassischer Fall mit bewegtem Empfänger. Allerdings dürfte das Koordinatensystem ansonsten nur für sehr wenige Dinge (z.B. mitbewegte Entfernung = einfache Distanz) brauchbar sein. So entfernen sich in ausreichender Distanz alle Objekte mit annähernd Lichtgeschwindigekeit, selbst in Richtung Sender ausgesandte Neutrinos werden irgendwann still stehen und in größerer Distanz entfernen.
    Dir als Astronom ist das alles klar, weswegen du da keinen echten Unterschied siehst. Für einen Laien besteht aber die Gefahr, die Besonderheiten des Szenarios zu übersehen und daraus die falschen Schlüsse zu ziehen.

  8. #8 Karl Mistelberger
    mistelberger.net
    17. April 2020

    Vor dem leichtfertigen Umgang mit Sektflaschen möchte ich warnen. Ein Bekannter wollte zwei Team-Assistentinnen bei ihrer Geburtstagsfeier im Büro helfen und öffnete leichtfertig eine Sektflasche.

    Diese explodierte in seiner linken Hand. Die Splitter zerschnitten Sehnen und Nerven. Eine achtstündige Notoperation war notwendig. Die Sehnen sind mittlerweile wieder zusammengewachsen. Ob die Nerven irgendwann wieder funktionieren ist ziemlich ungewiss.

    Also: Nur mit der persönlichen Schutzausrüstung zu werke gehen.

  9. #9 Christian Berger
    18. April 2020

    Es gibt übrigens eine lebensrettende Anwendung für den Dopplereffekt: Notfunkbaken. Das sind Geräte die man dabei hat, wenn man in gefährlichen Gebieten unterwegs ist. Hat man einen Notfall, so schaltet man das Gerät ein, und es sendet ein Signal auf einer gut definierten Frequenz aus. Dieses Signal wird dann von Satelliten empfangen und zu Rettungsstationen geschickt. Dabei wird das Signal vom Satelliten so gesendet, dass man die Dopplerverschiebung der ersten Strecke erhält. Dadurch bekommt man das Signal mit einer sich ändernden Dopplerverschiebung wodurch man mit mehreren Messungen die Position feststellen kann.
    Heute gibt es die Teile natürlich auch mit GPS, aber vor GPS konnte man so etwas auch schon bauen.

  10. #10 Werner Dickob
    Köln
    21. April 2020

    Was mich an der Erklärung des Dopplereffekts schon immer gewundert hat, ist der Widerspruch im Profil-Text von Florian Freistetter: “Eine Schallquelle beispielsweise mag Wellen aussenden, bei der zwei Ausschläge immer nach Ablauf der gleichen Zeitspanne erfolgen. Bewegt sie sich aber vom Beobachter fort, werden die Wellenberge und -täler auseinandergezogen, und sie werden gestaucht, wenn sich die Schallquelle nähert. Die zeitliche Abfolge der Wellenberge aber bestimmt die Frequenz, also die Tonhöhe, mit der wir ein Geräusch hören. Dopplers Schlussfolgerung: Bewegt sich eine Schallquelle an uns vorbei, hören wir ein Auf und Ab der Tonhöhe, obwohl die Quelle selbst immer den gleichen Ton erzeugt.” Also: Ein Signal wird losgeschickt und hat immer dieselbe Frequenz (lässt man mal die Raumausdehnung außer Acht) und kommt mit dieser einen Frequenz beim Empfänger an. Bewegt sich der Empfänger auf das Signal zu oder weg, ändert sich bei ihm (und nur bei ihm) die Frequenz der auftretenden Wellen, genauer und gröber gesagt die Aufschlagsgeschwindigkeit der Wellen, und zwar im Moment des Auftreffens/der Messung. Wo wird da eine Welle gestaucht oder gedehnt?

  11. #11 PDP10
    21. April 2020

    @Werner Dickob:

    Aufschlagsgeschwindigkeit der Wellen, und zwar im Moment des Auftreffens/der Messung. Wo wird da eine Welle gestaucht oder gedehnt?

    Die “Aufschlagsgeschwindigkeit” der Wellen hat nichts mit der Frequenz zu tun. Die Schallgeschwindigkeit bleibt immer gleich. Egal welche Frequenz die Welle hat.

    Aber wenn du – zum Beispiel – den Wellen entgegen kommst, bekommst du mehr Wellenberge – oder Wellentäler – pro Zeiteinheit “zu sehen”. Dh. die Frequenz ist höher.

    Das ist aber nur eine schwache Analogie. Bei Lichtwellen ist das ganze deutlich komplizierter. Kommt aber ungefähr als erste Näherung hin.

    Das hängt unter anderem damit zusammen, dass Schallwellen Longitudinalwellen sind (https://de.wikipedia.org/wiki/Longitudinalwelle).
    Elektromagnetische Wellen (wie Licht zB.) nicht.

  12. #12 Werner Dickob
    23. April 2020

    “Aufschlagsgeschwindigkeit” ist natürlich falsch, aber genau das meinte ich: An der Frequenz selbst ändert sich nichts. Was hat es nun mit Stauchen und Dehnen auf sich?

  13. #13 rolak
    23. April 2020

    An der Frequenz selbst ändert sich nichts

    Aber sicher doch, denn beim Dopplereffekt geht es nicht um die Frequenz des Senders, sondern um die beim Empfänger gemessene Frequenz. Und die ändert sich selbstverständlich. Und genauso selbstverständlich gilt höhereFrequenz == kleinereWellenlänge ≈≈ gestaucht et vice versa.
    Wesentlich umfangreicher in Dpedia beschrieben – mit anschaulichem Stauchen und Dehnen in der einführenden Animation.

  14. #14 PDP10
    23. April 2020

    @rolak:

    Aber sicher doch, denn beim Dopplereffekt geht es nicht um die Frequenz des Senders, sondern um die beim Empfänger gemessene Frequenz.

    Korrekt. Aber die Frequenz der Welle selbst ändert sich eben nicht. Sie sieht nur niedriger oder höher für den Beobachter aus – wie du ja auch schreibst.

    Das meinte ich.

  15. #15 PDP10
    23. April 2020

    @Werner:

    Die Seite, die rolak oben verlinkt hat, wollte ich dir auch schon empfehlen. Vielleicht verstehst du anhand der Animationen da besser, wie der Kram funktioniert.

  16. #16 rolak
    23. April 2020

    eben nicht

    endoch! hach, Kindergarten, goldene Zeiten :•)

    Etwas präziser: Hier ist die Rede von zwei BezugsSystemen, im BS(Sender) sei die Frequenz der gesendeten Welle unveränderlich, im BS(Empfänger) hat dann die empfangene Welle eine von der Relativgeschindigkeit des Empfängers zum Sender abhängige Frequenz, mithin ist dort die Frequenz potentiell veränderlich, zumindest typischerweise geändert gegenüber der Frequenz der BS(Sender)-Welle.

  17. #17 PDP10
    23. April 2020

    @rolak:

    Und das unterscheidet sich jetzt zu dem was ich geschrieben hatte, inwiefern? Hä? Na? 😉

  18. #18 rolak
    23. April 2020

    inwiefern?

    Na selbstverständlich insofern, daß “die Frequenz der Welle selbst ändert sich eben nicht” unterblieb, schon weil es die Welle überhaupt nicht gibt. Wie beschrieben sind es nämlich zwei Wellen, eine im BS(Sender), eine im BS(Empfänger). Selbst wenn es sich um ein und dieselbe physikalische Entität handelt, ‘die Welle’ ist immer das Ergebnis einer Messung von einem Bezugssystem aus und kann somit durchaus verschiedene Gestalt haben.

    Genausowenig gibt es die Geschwindigkeit des Senders, sondern er hat (mindestens) zwei Geschwindigkeiten, eine im BS(Sender), eine im BS(Empfänger).

  19. #19 PDP10
    23. April 2020

    @rolak:

    Sorry. Da liegst du falsch. Was du beschreibst, stimmt bei Lichtwellen. Wir reden hier aber von Schallwellen, oder? Oder liegt hier unser Missverständnis?

    Bei Schallwellen gibt es nämlich immer noch ein drittes Bezugssystem. Und zwar das Medium, durch dass sie sich bewegen. Daher, denke ich, kann man sehr wohl davon reden, dass die Frequenz gleich bleibt.

  20. #20 PDP10
    23. April 2020

    Ich glaube wir verwirren gerade Werner mehr als das wir helfen … 🙂

  21. #21 rolak
    23. April 2020

    Wir reden hier aber von Schallwellen, oder?

    Nee, PDP10, vom DopplerEffekt.

    Bei Schallwellen gibt es nämlich immer noch ein drittes Bezugssystem

    Es dürfte immer ein drittes bzw noch mehr Bezugssysteme geben. Und ganz gewiß mindestens eines, in dem die Frequenz der Welle zeitlich unveränderlich ist (default: BS(Sender)). Beim Doppler-Spezialfall ‘Welle in Medium’ ist das allerdings nicht unbedingt BS(Medium) – es gibt da nämlich zB den SpezialSpezialfall ‘Empfänger ruht in Medium’.
    Und das wiederum ist genau der Fall, in dem wir kleine kriechende Erdlinge den Doppler­Effekt sicherlich am häufigsten wahrnehmen: Bei wenig Wind dumm rumstehen und irgendetwas Lautes fährt vorbei (zur Zeit gehäuft RTWs).

    Selbstverständlich birgt ein möglichst genaues Beschreiben (und ich hoffe, davon nicht abgekommen zu sein) immer die Gefahr, Zuhörende etc zu verwirren – deswegen gibts ja extra ‘Kinderlügen’ wie zB beim Regenbogen, wenn der PrismaEffekt gezeigt wird und das wars. Erklärt mitnichten Form und Zusatzformen von Regenbögen, hält aber gut vor, bis die Sache mit den ganzen Winkeln das arme Kind nicht mehr instantan aus der ZuhörSpur wirft.

  22. #22 Werner Dickob
    Köln
    24. April 2020

    Hallo PDP10,
    genau diese Quelle (“Dpedia”) war neben dem zitierten Florian Freistetter ein Grund, mal in diesem Forum nachzufragen: “Der Doppler-Effekt (selten Doppler-Fizeau-Effekt) ist die zeitliche Stauchung bzw. Dehnung eines Signals bei Veränderungen des Abstands zwischen Sender und Empfänger während der Dauer des Signals”. Gerade die Animation dort suggeriert eine Stauchung/Dehnung, die es nicht geben kann, außer in einem bildhaften falschem Rückschluss, weil bei einem bewegten Empfänger sich die Empfangsfrequenz erhöht/sinkt und den nämlichen Effekt erzeugt – also im Moment des Empfangs und nirgendwann sonst. Stimmt das?
    Hierfür dürften die Kategorien longitudinal/transversal und Schall- oder Lichtwellen für sich (noch) irrelevant sein.