Galileos großartiger Einfall

Auch wenn wir sofort an Einstein denken, wenn der Begriff Relativität fällt, erfunden hat er die Vorstellung nicht. Galileo war es, der die modernen Grundlagen der Relativität in den 1630er Jahren entwickelt und seine Zeitgenossen in großes Erstaunen versetzt hat.

Experiment – Treibeis

Sie benötigen ein kaltes Getränk mit einem Eiswürfel darin. Stellen Sie das Glas auf Ihren Tisch und beobachten Sie das Eis. Wenn es möglich ist, sollten Sie schauen, was beim ruhigen, gleichmäßigen Flug passiert, was bei Turbulenzen und was, wenn die Maschine beschleunigt oder eine Kurve fliegt.

Wenn die Maschine gleichmäßig ohne Tempozunahme fliegt, schwimmt das Eis bewegungslos, genau wie das am Boden der Fall wäre. Wenn die Maschine wirklich gleichförmig fliegt, könnten Sie bei geschlossenen Sichtblenden nicht erkennen, ob sie sich überhaupt bewegt. Sie könnten keine physikalischen Grundlagenexperimente im Flugzeug durchführen, die Ihnen sagen würden, dass Sie sich bewegen. Alles wurde sich absolut normal verhalten. Genau das war Galileos großartiger Einfall. Er nahm zwar ein Schiff mit gleichförmiger Bewegung als Beispiel, aber die Idee ist dieselbe.

Wenn das Flugzeug in Turbulenzen gerät oder beschleunigt (eine Kurve zu fliegen ist auch eine Form von Beschleunigung), verhalten sich die Dinge plötzlich nicht mehr normal. Wir erkennen, dass wir uns in einem Gefährt befinden, das sich bewegt – das tun wir sowohl aufgrund dessen, was das Eis tut, als auch aufgrund unserer Sinneswahrnehmungen.

Galileo erkannte, dass jede Bewegung im Verhältnis zu etwas anderem erfolgt. Wenn sich zwei Objekte mit genau der gleichen Geschwindigkeit in dieselbe Richtung bewegen, sieht jedes Objekt das andere als ortsfest. Wenn Sie ein anderes Flugzeug sehen, das mit der gleichen Geschwindigkeit wie Ihre Maschine in dieselbe Richtung fliegt, haben Sie den Eindruck, die andere Maschine stünde still. Und das ist nicht nur eine Sache des Anblicks – von Ihrem Blickwinkel aus steht die andere Maschine tatsächlich still. Könnten die Flugzeuge dicht genug beieinander sein, könnten Sie von einem zum anderen wechseln, ohne etwas zu merken.

Ein Grund, warum Galileo dies so wichtig fand, war seine Überzeugung, dass Kopernikus recht hatte mit seiner Vorstellung, dass sich die Erde um die Sonne dreht. Seit dem griechischen Altertum hatte man angenommen, die Erde würde bewegungslos im Zentrum des Universums stehen und die Sonne (und alles andere) würde sich um sie herum bewegen. Ein gängiges Argument gegen eine Bewegung der Erde lautete zu Galileos Zeit, dass alles, was nicht festgebunden sei, dann doch herunterfliegen und hinter der Erde zurückbleiben müsse. Doch das trifft nicht zu, weil die Erde sich aus unserem Blickwinkel nicht bewegt. Wir bewegen uns alle mit derselben Geschwindigkeit wie die Erde (außer wir befinden uns vielleicht gerade in einem Flugzeug).

Experiment – Schritt halten

Wir werden ein Experiment nachstellen, mit dem Galileo eine Gruppe von Zeitgenossen verblüfft hat, die keine Vorstellung von Relativität hatten. Die Gruppe befand sich in einem Schiff auf dem Lago die Piediluco. Das Schiff wurde von sechs Mann gerudert und fuhr ziemlich schnell. Galileo fragte seinen Freund Stelluti, ob er einen schweren Gegenstand bei sich habe. Stelluti holte einen schweren Schlüssel hervor, der offenbar wertvoll und schwer zu ersetzen war. Galileo versetzte dem Freund einen ziemlichen Schreck, indem er den Schlüssel mit großer Kraft in die Höhe warf. Stelluti geriet in Panik und sprang beinahe aus dem Schiff, weil er überzeugt war, der Schlüssel würde hinter ihnen ins Wasser fallen, weil sich das Schiff ja vorwärts bewegte.

Versuchen Sie nicht, in einem vollbesetzten Flugzeug Schlüssel in die Höhe zu werfen. Nehmen Sie stattdessen ein Blatt Papier, das Sie zum Ball zusammengeknüllt haben – und begeben Sie sich an eine freie Stelle, wo Sie weder Passagiere noch Besatzung treffen. Werfen Sie das Objekt so gerade wie möglich in die Luft. Galileos Freunde würden annehmen, dass es weiter hinten im Flugzeug auftreffen würde, weil das Flugzeug Vortrieb hat, der Ball aber nicht. Doch das geschieht eindeutig nicht.

Vor Galileos Zeiten ging man davon aus, dass Dinge sich nur bewegen, wenn ein Antrieb auf sie wirkt (oder Gravitation beziehungsweise Flüchtigkeit sie beeinflusst). Zweifellos bewegt sich der Ball mit Ihnen (wie der Schlüssel mit Galileo), solange Sie ihn nicht in die Höhe werfen. Doch tut man dies, so nahm man an, bekommt er keinen Antrieb mehr und bleibt zurück. Tatsächlich gibt es keine horizontale Bewegung des Balls in Beziehung zu Ihnen, wie Sie bei dem Papierball gesehen haben (falls Sie ihn nicht aus Versehen schräg geworfen haben) – nichts wirkt auf ihn ein, das ihn von Ihnen wegbewegt.

Stellen wir uns vor, es wäre Ihnen irgendwie gelungen, sich mit Ihrem Papierball auf einen der Flügel zu begeben und Sie würden ihn wieder gerade in die Höhe werfen. Was würde diesmal passieren? Nun würde der Ball nach hinten fliegen. Aber das ist der Fall, weil sich das Flugzeug schnell in Beziehung zur Luft bewegt. Aus Ihrer Perspektive auf dem Flügel ist das Flugzeug stationär und die Luft bewegt sich mit hoher Geschwindigkeit nach hinten. Diese Luft, die sich nach hinten bewegt, trifft auf Ihren Papierball, und die Milliarden von Kollisionen mit schnellen Luftmolekülen schleudern den Ball nach hinten. Galileo verwendete einen schweren Schlüssel auf dem See, um dieses Problem zu umgehen.