Dieser Artikel ist Teil einer Serie über naturwissenschaftliche Experimente. Entsprechende Artikel werden hier im Blog bis Ende Juli erscheinen. Alle Artikel der Serie könnt ihr hier finden.
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Es ist eines der klassischen Experimente in der Geschichte der Naturwissenschaft: 1589 warf Galileo Galilei zwei unterschiedlich schwere Bälle vom schiefen Turm von Pisa und stellte fest, das beide gleichzeitig auf dem Boden auftreffen. So hat er demonstriert dass alle Objekte im Schwerefeld der Erde gleich schnell fallen, unabhängig von ihrer Masse. Was ein absolut wichtiges Prinzip der Physik ist. Und richtig. Nur das entsprechende Experiment hat in der Form vermutlich nicht stattgefunden.

Aufzeichnungen zu diesem Experiment gibt es nicht. Die einzige Erwähnung findet man bei Vincenzo Viviani, einem Schüler und Biograf von Galilei, 12 Jahre nach dem Tod von Galileo Galilei. Zu Lebzeiten hatte der in seinen Unterlagen jede Menge Spekulationen über den Fall von Objekten angestellt, allerdings nirgendwo konkrete Experimente beschrieben oder gar Ergebnisse oder Messwerte erwähnt. Dass er tatsächlich Dinge vom Schiefen Turm von Pisa geworfen hat, ist vermutlich nur auf die literarische Freiheit von Viviani zurückzuführen (wie in diesem ausführlichen Artikel (pdf) schön beschrieben ist).

Was Galileo Galilei tatsächlich gemacht und auch aufgeschrieben hat (in seinem Werk De Motu) ist ein Gedankenexperiment. Das ist etwas, das in der Geschichte der Wissenschaft immer wieder stattgefunden hat und was man nicht unterschätzen darf. Ein Gedankenexperiment wird nicht wirklich durchgeführt, man stellt sich nur vor dass man es tut und überlegt, was daraus folgen würde. Das klingt seltsam, denn ein Experiment ist ja gerade dazu da um zu sehen was wirklich abläuft, unabhängig davon was irgendwer denkt oder sich vorstellt. Aber wenn man es richtig macht kann auch ein Gedankenexperiment sehr erfolgreich sein.

Galileis Argument lief folgendermaßen: Nehmen wir an, schwere Objekte fallen schneller als langsamere (so wie es schon Aristoteles behauptet hat). Und jetzt stellen wir uns ein schweres und ein leichtes Objekt vor, verbunden durch eine Schnur. Wenn das schwere Trumm schneller fällt, wird die Schnur beim Fall natürlich gespannt werden, weil das langsam fallendere leichte Objekt den Fall des schweren bremst. Das verbundene System aus beiden Objekten beschleunigt also langsamer als das allein fallende schwerer Objekt. Und das widerspricht der ursprünglichen Annahme! Denn das System aus zwei Objekte ist schwerer als nur ein Objekt. Und müsste schneller fallen. Man kann das Spiel auch umgekehrt spielen und annehmen, dass leichte Objekte schneller fallen als schwere. Und wird zu exakt dem gleichen Widerspruch kommen. Die einzige Möglichkeit die uns noch bleibt: Objekte fallen gleich schnell, egal wie schwer sie sind.

Nur durch Nachdenken hat Galileo Galilei ein Experiment durchgeführt. Er hat alle logisch möglichen Optionen untersucht und kam am Ende zu einem eindeutigen Ergebnis. Irgendwelche Dinge von einem Turm zu werfen war gar nicht nötig. Er hat es vielleicht doch getan; rein zur Demonstration oder um seinen Schülern etwas beizubringen. Oder einfach nur, weil es Spaß gemacht hat. Aber nicht als wissenschaftliches Experiment. Das hat schon längst in seinem Kopf erfolgreich stattgefunden.

Gedankenexperimente trifft man in der Naturwissenschaft immer wieder. Besonders Albert Einstein war berühmt dafür sich Dinge zu überlegen, die in der Realität gar nicht ausprobiert werden hätten können (“Was passiert, wenn man einen Lichtstrahl überholt?”). Gedankenexperimente sind knifflig. Aber potenziell sehr wertvoll. Obwohl man sie ganz kostenlos und ohne teure Geräte durchführen kann!

Kommentare (24)

  1. #1 Holger
    15. Juli 2020

    “Lichtstrahl überholen”?

    tun das in Realität Gravitationswellen? Denn Lichtstrahl folgt ja der Raumkrümmung und hat nicht den direkten Weg durchs All.
    Gravitationswellen sind ja Schwingung des Raumes selbst und demnach geradlinig, damit also kürzerer Weg.

  2. #2 Till
    15. Juli 2020

    “Lichtstrahl überholen”? Tun das in Realität Gravitationswellen?

    Im Vakuum ist nichts schneller als das Licht, auch nicht Gravitationswellen. Beide Wellen breiten sich laut ART geradlinig durch die Raumzeit aus. Die Krümmung der Raumzeit sorgt dann dafür, dass es für uns so aussieht, als würden die Lichtwellen und die Gravitationswellen durch Masse abgelenkt.

    Wenn das Licht allerdings ein Medium (z.B. interstellares Gas, oder das Gas in dem das Licht erzeugt wird) passiert, dann wird es langsamer. Daher kann es vorkommen, dass Licht und Gravitationswellen zeitlich verzögert ankommen.

  3. #3 Till
    15. Juli 2020

    p.s. die zeitliche Verzögerung mit der das Licht ankommt verrät uns somit etwas über das Gas welches sich zwischen dem Ereignis das die Gravitationswellen erzeugt hat und uns befindet.

    Die Dauer und das Spektrum des Lichtes verrät uns wiederum etwas über die Größe und Beschaffenheit des Objektes/Gases in dem das Licht erzeugt wurde. Je größer das Objekt, desto länger dauert der Lichtblitz (da das Licht vom entfernten Ende des objektes länger braucht um zu uns zu gelangen als vom uns zugewandten Ende).

    Leider ist es aus verschiedenen Gründen sehr schwierig, den Lichtblitz eines Gravitationswellenereignisses zu detektieren:
    1) schwarze Löcher senden bei ihrer Kollision gar kein Licht aus (außer sie haben zum Zeitpunkt der Kollision gerade eine Akkretionsscheibe)
    2) wir können bisher die Richtung aus der ein Gravitationswellenereignis kommt nur sehr ungenau bestimmen

  4. #4 Till
    15. Juli 2020

    p.p.s. Es wäre toll mal wieder einen Artikel über neues aus der Gravitationswellenastronomie zu lesen 😉

  5. #5 Holger
    15. Juli 2020

    das NICHTS ist schneller als Licht ist insofern unkorrekt, weil zum Beginn (quasi Zeit Null am Urknall) der Raum schneller expandiert ist.

    und Gravitationswellen sind ja Schwingung des Raumes an sich.

    Zusatz: werden denn Gravitationswelle (also Schwingung des Raumes) überhaupt durch Masse auf identische Art wie Licht gekrümmt?
    mein verständnis war, dass gerade diese Schwingung geradlinig geschieht. hmm?

    und Zustimmung: ein Gravitationswellenartikel ist auch mein Wunsch.

  6. #6 Karl-Heinz
    15. Juli 2020

    @Holger

    das NICHTS ist schneller als Licht ist insofern unkorrekt, weil zum Beginn (quasi Zeit Null am Urknall) der Raum schneller expandiert ist.

    Mit Lichtgeschwindigkeit ist konstant meint man allgemein, dass die Ausbreitungseschwindigkeit des Lichtes lokal gleich c ist.
    lim (Δs/Δt) = c für Δt geht gegen 0.
    Das gilt auch wenn der Raum (sehr schnell) expandiert.

  7. #7 Till
    15. Juli 2020

    @Holger

    das NICHTS ist schneller als Licht ist insofern unkorrekt, weil zum Beginn (quasi Zeit Null am Urknall) der Raum schneller expandiert ist.

    Geschwindigkeit ist als Änderung der Raumkoordinate pro Zeit definiert. Die Expansion der Raumzeit selbst ist etwas grundlegend anderes. Stelle Dir ein Gummituch vor auf dem Ameisen in entgegengesetzte Richtungen mit konstanter Geschwindigkeit laufen. Wenn jetzt das Gummituch gestreckt wird, dann entfernen sich die Ameisen schneller voneinander, obwohl sie immer noch gleich schnell laufen.

    werden denn Gravitationswelle (also Schwingung des Raumes) überhaupt durch Masse auf identische Art wie Licht gekrümmt?

    Die Gravitationswellen werden nicht durch Masse gekrümmt, sondern der Raum selbst. Die Wellen folgen dann der Raumkrümmung. Genauso wie Wasserwellen auf dem Ozean der Krümmung der Wasser- bzw. Erdoberfläche folgen.

  8. #8 Holger
    15. Juli 2020

    also ist zumindest der Raum (Raumzeit) schneller als Licht nicht im Widerspruch.

    zur Gravitationswelle:
    Wasserwellen folgen ja nicht der Oberfläche, sondern breiten sich im gesamten Wasserbereich aus. Also auch die “Abkürzung” geradlinig unterhalb der krummen Oberfläche.
    Machen Erdbebenwellen auch.

    und analog im Vergleich stelle ich mir das mit den Gravitationswellen auch vor: Licht muss der Krümmung (der Wasseroberfläche) folgen – Gravitationswellen eben nicht.

  9. #9 Ludger
    15. Juli 2020

    Gravitationswellen folgen nicht der Raumkrümmung sondern sind eine Raumkrümmung, die sich mit c ausbreitet. Sonst könnte man mit einer Gravitationswellentelefonie Information schneller als mit c übertragen, was nach der ART nicht geht.

  10. #10 Karl-Heinz
    15. Juli 2020

    @Holger

    Kein Wunder, dass du das falsch interpretierst. Du unterscheidest bei deiner Argumentation mit den Erdbebenwellen nicht zwischen Transversal- und Longitudinalwelle.

  11. #11 Karl-Heinz
    15. Juli 2020

    @Ludger

    Wenn eine Gravitationswelle (Störung in der Raumzeit) nahe der Sonne vorbeikommen, dann spürt sie natürlich die Krümmung der Raumzeit von der Sonne!

  12. #12 René
    Halle
    15. Juli 2020

    Man muss sich bei der Frage ob etwas schneller sein kann als c nur die Frage beantworten, ob damit irgendwelche Informationen und damit verbunden auch Wirkungen übertragen werden. Wenn das der Fall sein sollte, dann kann immer nur v <= c gelten. Alles andere kann sich mit Überlichtgeschwindigkeit "bewegen".
    Bei der Expansion des Raumes wird keine Information übertragen. Es entsteht einfach nur immer mehr Raum an jeder Stelle des Raumes. Mit der Expansion an sich lassen sich aber keinerlei Informationen und Wirkungen übertragen.

  13. #13 Jan
    15. Juli 2020

    Die einzige Möglichkeit die uns noch bleibt: Objekte fallen gleich schnell, egal wie schwer sie sind.

    Naja, es gibt schon noch eine andere Möglichkeit: Die Fallgeschwindigkeit (bzw. -beschleunigung) hängt nicht alleine von der Masse ab. Und so ist es ja auch in der Realität, wenn man Reibung nicht vernachlässigt; nicht nur die Masse des Objekts spielt eine Rolle, sondern auch seine Form.

    Das ist ganz allgemein eine Schwierigkeit bei Gedankenexperimenten. Man muss sehr aufpassen, nicht irgendwelche impliziten Annahmen hineinzustecken.

  14. #14 Jan
    15. Juli 2020

    @Holger:
    Die Expansion des Raums ist keine Bewegung; sie hat eine Rate, aber keine Geschwindigkeit. Insofern kann man sie schon allein aus Dimensionsgründen nicht mit der Lichtgeschwindigkeit vergleichen.

    Zu sagen “der Raum expandiert schneller/langsamer als Lichtgeschwindigkeit” ist genauso sinnlos wie zu sagen “dieser Motor dreht sich mit mehr/weniger als 100 km/h”. Die Dreh”geschwindigkeit” eines Motors ist eine Winkelgeschwindigkeit, und man kann sie z.B. in Umdrehungen/Minute messen, aber nicht in km/h. Ähnlich ist es mit der Expansion des Raums. Ihre Rate ist der Hubble-Parameter. Den misst man üblicherweise in km/s/Mpc, was dimensionsmäßig das selbe ist wie 1/s. Und das ist keine Geschwindigkeit.

  15. #15 Mirko
    HH
    15. Juli 2020

    @FF: Kannst Du Dich selbst nochmal dazu äußern?
    Also

    1.) Beugt eine Masse Gravitationswellen analog Lichtwellen? (Gibt es einen Gravitationsstrahl analog einem Lichtstrahl? Oder weiß man das nicht, solange die Existenz eines Gravitons nicht sicher ist? )
    2.) Kann eine Gravitionswelle spürbar schneller als eine elektromagn Welle der gleichen Quelle sein, wenn letztere auf dem Weg zur Erde zB durch Gaswolken muss?

    Danke!

  16. #16 schorsch
    15. Juli 2020

    Lange vor Galilei sind schon andere auf die Idee gekommen, schwere Objekte mittels Schnur mit anderen Objekten zu verbinden, um derart die Fallgeschwindigket so weit zu verringen, dass z. B. ein Sturz aus großer Höhe für ein schweres Objekt (Mensch) überlebbar wird.

    Dass Leonardo da Vincis Fallschirm tatsächlich sprungtauglich ist, ist mittlerweile experimentell (in natura, nicht in idea) bewiesen worden: http://news.bbc.co.uk/2/hi/science/nature/808246.stm

    Allerdings ist hier kein schweres mit einem leichten Objekt, sondern sind zwei annähernd gleichschwere Objekte (da Vincis Fallschirm wog im Nachbau 85 kg) miteinander verbunden worden.

    Womit bewiesen wäre, dass die Fallgeschwindigkeit maßgeblich von der Anbringung einer Schnur abhängig ist. Jetzt kommst du, Galilei!

  17. #17 Holger
    15. Juli 2020

    Raumzeit und ihre Gravitation darin sehe ich anders. Die Raumzeit besteht aus Quanten und die vermitteln die 4 Grundkräfte. Es gibt auch Raum, wo noch keine Quanten sind. Die Raumzeit, die sich aber ausgedehnt hat besteht aus Quanten. Und diese sind überlagert und ich nenne sie Dunkle Photonen. Es gibt dennach keine Materie in dem Sinne. Außer Dunkle Photonen.
    Kurz gesagt sprudelt die Sonne Photonen aus, genau wie andere Sonnen und das nennt sich Raumzeit/Gravitation. Dann werden sie ein wenig gegwetscht DM und entspannen sich bei Freiraum DE. Und so weiter und so weiter.

    Gravitation leicht überlagerte Photonen
    Elektromagnetismus bisschen mehr Überlagert.
    Schwache Kernkraft noch mehr überlagert
    Starke Kernkraft weiß ich nicht mehr 😉

  18. #18 Florian Freistetter
    15. Juli 2020

    @Mirko: “Kannst Du Dich selbst nochmal dazu äußern?”

    Wie ich in der Einleitung zur Serie schrieb: Ich mach Urlaub. Also ein wenig Geduld. Abgesehen davon gehts in dem Artikel den ich geschrieben hab um Galilei, nicht um Gravitationswellen. Dazu hat Martin Bäker nebenan jede Menge geschrieben, der kann sicher auch spontan Detailfragen beantworten (sofern er nicht auch Urlaub macht)

  19. #19 Jan
    15. Juli 2020

    @Mirko:

    Beugt eine Masse Gravitationswellen analog Lichtwellen?

    Ja.

    Gibt es einen Gravitationsstrahl analog einem Lichtstrahl?

    Im Prinzip ja. Eine Näherung ähnlich der der Strahlenoptik kann man für alle Phänomene machen, für die die Wellengleichung gilt, so lange die Wellenlänge nur deutlich kleiner ist als alle anderen relevanten Längen. Und für Gravitationswellen gilt die Wellengleichung (wenn die Intensität klein genug ist).

    Oder weiß man das nicht, solange die Existenz eines Gravitons nicht sicher ist?

    Mit Gravitonen hat das nichts zu tun. Beim Licht ist die Strahlenoptik auch eine Näherung der Maxwell-Gleichungen, und in denen gibt es keine Photonen. D.h. es gibt eine volle Quantenfeldtheorie, dann als Näherung davon eine klassische Feldtheorie, und als weitere Näherung davon eine “Strahlentheorie”. Bei der Gravitation kennen wir zwar die Quantenfeldtheorie nicht (wenn es sie gibt), aber wir kennen die klassische Feldtheorie, und können deshalb auch eine “Strahlennäherung” betrachten.

    Kann eine Gravitionswelle spürbar schneller als eine elektromagn Welle der gleichen Quelle sein, wenn letztere auf dem Weg zur Erde zB durch Gaswolken muss?

    Ich würde vermuten, dass das grundsätzlich schon möglich ist. Bei der 1987er Supernova hat man doch etwas ähnliches mit Neutrinos beobachtet (die Neutrinos wurden ein paar Stunden vor dem sichtbaren Licht gemessen, weil das noch durch die Materie des Sterns abgebremst wurde).

    @Holger:
    Das ist dann deine Privattheorie und hat mit Physik herzlich wenig zu tun.

  20. #20 Holger
    15. Juli 2020

    (Hinweis: hier sind verschiedene “Holger” nur unterscheidbar am Bildchen nebendran)

    werde mal dem Hinweis folgen und auf
    http://scienceblogs.de/hier-wohnen-drachen/

    durchforsten obs eine für mich einfach Vorstellung gibt.

  21. #21 Ludger
    15. Juli 2020

    @ Jan #19

    Hab ich irgendwo hier gelesen:
    Bei der Supernova sind die Neutrinos aufgrund geringer Wechselwirkungen schneller aus dem Stern herausgekommen als die Photonen und hatten daher einen Vorsprung. Im Vakuum des Weltraums sind Photonen geringfügig schneller. Das hat aber nicht gereicht, um den Vorsprung aufzuholen.

  22. #22 Bnr
    Niedersachsen
    15. Juli 2020

    Das beschriebene Gedankenexperiment schließt aber nicht aus, dass die Fallgeschwindigkeit von der Dichte des Körpers abhängt. Oder vom Material. An einem realen Experiment führt wohl kein Weg vorbei.

  23. #23 Karl-Heinz
    15. Juli 2020

    https://de.m.wikipedia.org/wiki/GW170817

    Aus Isaac oder Die Entdeckung der Raumzeit von Martin Bäker
    Am 17. August 2017 zeichnete dieser ein Signal auf, das durch zwei Neutronensterne verursacht wurde, die einander so nahe gekommen waren, dass sie schließlich verschmolzen. Dabei wurde nicht nur eine starke Gravitationswelle ausgesandt, sondern auch ein elektromagnetischer Impuls (ein sogenannter Gammablitz). Die beiden Sterne waren von der Erde etwa 130 Millionen Lichtjahre entfernt, der Gammablitz und die Gravitationswelle erreichten die Erde trotzdem praktisch gleichzeitig mit einem Unterschied von knapp zwei Sekunden. Damit konnte nicht nur gezeigt werden, dass Gammablitze durch kollidierende Neutronensterne verursacht werden, sondern auch, dass sich Gravitationswellen mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten. Die Verzögerung erklärt sich dadurch, dass die Gammastrahlen kurz nach der Verschmelzung entstanden.

  24. #24 Dalvente
    Tölz
    16. Juli 2020

    Wieso träumen Piraten von Gravitationswellen?