Galileo Galilei und die Geburt der Experimentalphysik

Wenn heute jemand wissen möchte, wie schnell ein Gegenstand fällt, würde kaum jemand auf die Idee kommen, darüber ausschließlich nachzudenken. Man würde messen. Man würde eine Strecke festlegen, die Zeit stoppen, den Versuch wiederholen und anschließend vergleichen, ob sich aus den Ergebnissen eine Regel ableiten lässt.
Genau diese Art zu denken erscheint uns heute selbstverständlich. Zu Beginn des 17. Jahrhunderts war sie es nicht.
Galileo Galilei gehörte zu den Menschen, die entscheidend dazu beitrugen, Naturerscheinungen nicht nur philosophisch zu erklären, sondern sie gezielt zu untersuchen. Er war keineswegs der erste Mensch, der Experimente durchführte, und die moderne Naturwissenschaft entstand auch nicht durch die Arbeit eines einzigen Forschers. Trotzdem steht sein Name wie kaum ein anderer für den Übergang von der alten Naturphilosophie zu einer Physik, in der Beobachtung, Experiment und Mathematik zusammengehören.
Galilei wurde 1564 in Pisa geboren. Ursprünglich sollte er Medizin studieren. Sein Interesse verlagerte sich jedoch zunehmend auf Mathematik, Mechanik und Astronomie. Dabei beschäftigte ihn eine Frage besonders: Kann man die Bewegungen von Körpern nicht genauer beschreiben, als es die überlieferten Lehren taten?
Denn vieles, was damals an den Universitäten gelehrt wurde, ging noch auf Aristoteles zurück.
Aristoteles hatte fast zweitausend Jahre zuvor ein umfassendes Bild der Natur entwickelt. Darin hatte jede Bewegung ihre Ursache und ihren natürlichen Platz. Schwere Körper bewegten sich nach unten, leichte nach oben. Außerdem nahm man an, dass schwere Körper schneller fallen als leichte.
Das erschien durchaus plausibel. Ein Stein fällt schließlich deutlich schneller als ein Blatt Papier.
Das Problem lag nicht in der Beobachtung selbst. Das Problem lag darin, daraus unmittelbar eine allgemeine Regel abzuleiten.
Galilei begann genau an dieser Stelle genauer hinzusehen.
Eine der bekanntesten Geschichten über ihn erzählt, er habe unterschiedlich schwere Kugeln vom Schiefen Turm von Pisa fallen lassen. Die Studenten und Professoren hätten dann beobachten können, dass die Kugeln fast gleichzeitig den Boden erreichten und Aristoteles damit widerlegt sei.
Ob dieser Versuch tatsächlich genau so stattgefunden hat, ist historisch nicht sicher. Die Geschichte wurde wahrscheinlich später ausgeschmückt.
Aber sie beschreibt ziemlich gut, worum es Galilei ging.
Eine Behauptung über die Natur sollte sich an der Natur selbst prüfen lassen.
Dabei stieß Galilei auf ein praktisches Problem. Fallende Körper sind schnell. Für jemanden, der keine elektronische Zeitmessung besitzt und nicht einmal eine präzise Stoppuhr zur Verfügung hat, ist es äußerst schwierig, kleine Zeitunterschiede beim freien Fall zuverlässig zu messen.
Galileis Lösung war bemerkenswert einfach.
Er machte die Bewegung langsamer.
Statt Kugeln einfach senkrecht fallen zu lassen, ließ er sie über geneigte Flächen rollen. Auf einer solchen schiefen Ebene wirkt nur ein Teil der Schwerkraft in Bewegungsrichtung. Die Kugel beschleunigt deshalb langsamer, und der Vorgang lässt sich wesentlich besser beobachten.
Heute klingt das fast banal. Wissenschaftlich steckt darin aber eine wichtige Idee: Wenn ein Vorgang zu kompliziert oder zu schnell ist, kann man eine kontrollierte Situation schaffen, in der derselbe Zusammenhang leichter messbar wird.
Damit nähert man sich bereits sehr stark dem modernen Experiment.
Galilei untersuchte, welche Strecken Kugeln in bestimmten Zeitabschnitten zurücklegten. Die Zeitmessung war natürlich noch primitiv. Er experimentierte unter anderem mit Wasser, das während eines Versuchs aus einem Gefäß floss. Anschließend konnte die Wassermenge gewogen und damit die verstrichene Zeit verglichen werden.
Das Entscheidende war weniger das einzelne Messgerät als die Methode.
Man verändert Bedingungen, misst das Ergebnis und wiederholt den Versuch.
Aus seinen Untersuchungen entwickelte sich eine grundlegende Erkenntnis: Fallende Körper bewegen sich nicht einfach mit einer festen Geschwindigkeit. Sie werden immer schneller.
Ihre Geschwindigkeit verändert sich regelmäßig.
Wir sprechen heute von Beschleunigung.
Damit wurde Bewegung zu etwas, das mathematisch untersucht werden konnte. Man konnte nicht nur fragen, warum ein Körper fällt, sondern auch, wie sich seine Geschwindigkeit während des Fallens verändert und welche Strecke er nach einer bestimmten Zeit zurückgelegt hat.
Genau an diesem Punkt beginnt sich die Physik stark von der traditionellen Naturphilosophie zu entfernen.
Galilei verwendete außerdem gerne Gedankenexperimente. Das sind Experimente, die man nicht unbedingt tatsächlich durchführen muss. Man stellt sich eine Situation möglichst präzise vor und verfolgt ihre Konsequenzen logisch.
Ein besonders berühmtes Beispiel betrifft die Behauptung, schwere Körper müssten schneller fallen als leichte.
Nehmen wir an, wir haben einen schweren und einen leichten Stein. Der schwere soll nach der aristotelischen Vorstellung schneller fallen.
Nun verbinden wir beide miteinander.
Der leichte Stein müsste den schweren eigentlich etwas abbremsen. Das verbundene System sollte also langsamer fallen als der schwere Stein allein.
Gleichzeitig sind beide Steine zusammen schwerer als der schwere Stein allein. Nach derselben Theorie müsste das verbundene System deshalb noch schneller fallen.
Man erhält zwei widersprüchliche Ergebnisse.
Galilei zeigte damit, dass die einfache Vorstellung, Fallgeschwindigkeit sei direkt von der Masse abhängig, nicht funktionieren konnte.
Heute wissen wir, dass Körper im Vakuum unabhängig von ihrer Masse dieselbe Fallbeschleunigung erfahren. Auf der Erde sehen wir trotzdem große Unterschiede, weil die Atmosphäre eine Rolle spielt.
Eine Feder besitzt im Verhältnis zu ihrem Gewicht eine große Oberfläche und wird vom Luftwiderstand stark gebremst. Ein kompakter Stein sehr viel weniger.
Besonders eindrucksvoll wurde das Jahrhunderte später während der Apollo-15-Mission demonstriert. Astronaut David Scott ließ auf dem Mond gleichzeitig einen Hammer und eine Feder fallen. Da der Mond praktisch keine Atmosphäre besitzt, erreichten beide gleichzeitig den Boden.
Galilei konnte einen solchen Versuch natürlich nicht durchführen. Trotzdem hatte er den entscheidenden Zusammenhang lange zuvor erkannt.
Noch weitreichender waren seine Überlegungen zur Frage, warum sich bewegte Körper überhaupt weiterbewegen.
Im Alltag scheint Aristoteles zunächst wieder recht zu behalten. Eine Kugel, die man über den Boden rollt, wird langsamer und bleibt irgendwann stehen.
Aber warum?
Galilei dachte sich dazu eine Kugel auf zwei gegenüberliegenden schiefen Ebenen.
Rollt die Kugel die eine Seite hinunter, gewinnt sie Geschwindigkeit. Auf der gegenüberliegenden Seite rollt sie wieder hinauf. Ohne große Verluste würde sie ungefähr versuchen, wieder ihre ursprüngliche Höhe zu erreichen.
Nun stellt man die zweite Rampe etwas flacher.
Die Kugel muss eine längere Strecke zurücklegen, um dieselbe Höhe zu erreichen.
Macht man die Rampe noch flacher, wird die Strecke noch länger.
Und was passiert, wenn die zweite Fläche vollkommen waagerecht ist?
Dann müsste die Kugel theoretisch immer weiterrollen.
Natürlich geschieht das in der Realität nicht, weil Reibung und Luftwiderstand wirken. Doch Galilei erkannte, dass diese Einflüsse von der eigentlichen Bewegung getrennt betrachtet werden müssen.
Das war ein gewaltiger Schritt.
Nicht die Bewegung braucht ständig eine Erklärung. Die Veränderung der Bewegung braucht eine Erklärung.
Aus dieser Idee entwickelte sich später das Trägheitsprinzip.
Ein Körper, der sich bewegt, muss nicht automatisch irgendwann zur Ruhe kommen. Wenn nichts auf ihn einwirkt, kann er seinen Bewegungszustand beibehalten.
Isaac Newton sollte diesen Gedanken einige Jahrzehnte später in seinem ersten Bewegungsgesetz präzise formulieren.
Galilei beschäftigte sich jedoch nicht nur mit fallenden Kugeln.
Um das Jahr 1609 hörte er von einem neuen optischen Instrument, das in den Niederlanden entwickelt worden war. Es konnte entfernte Gegenstände vergrößert erscheinen lassen.
Galilei hatte das Fernrohr also nicht erfunden.
Aber er erkannte sehr schnell dessen wissenschaftliches Potenzial.
Er baute eigene, verbesserte Instrumente und richtete sie an den Himmel.
Was er dort sah, stellte das damalige Weltbild vor erhebliche Probleme.
Der Mond war keine vollkommen glatte Himmelskugel. Galilei erkannte Strukturen, die er als Berge und Vertiefungen deutete.
Die Sonne zeigte dunkle Flecken.
Um Jupiter entdeckte er vier kleine Himmelskörper, die ihre Position von Nacht zu Nacht veränderten. Sie kreisten offensichtlich um Jupiter.
Heute kennen wir sie als Io, Europa, Ganymed und Kallisto.
Gerade diese Beobachtung war von großer Bedeutung.
Wenn sich Himmelskörper um Jupiter bewegten, konnte offensichtlich nicht alles im Universum um die Erde kreisen.
Auch seine Beobachtungen der Venus waren wichtig. Venus zeigte Phasen, ähnlich wie der Mond. Diese Phasen ließen sich wesentlich besser mit einem System erklären, in dem Venus die Sonne umkreist.
Das bedeutete noch nicht, dass Galilei mit einem einzigen Blick durch sein Fernrohr das heliozentrische Weltbild bewiesen hätte. Die astronomische Diskussion war komplizierter.
Aber die Vorstellung eines unveränderlichen, vollkommenen Himmels geriet zunehmend unter Druck.
Das Interessante daran ist, wie Galilei vorging.
Er sagte nicht einfach, ein bestimmtes Weltbild müsse richtig sein, weil es ihm logischer erschien.
Er zeigte Beobachtungen.
Man konnte durch das Fernrohr selbst hinsehen.
Natürlich führte auch das zu Streit. Frühe Teleskope waren optisch alles andere als perfekt. Manche Gelehrte bezweifelten, ob bestimmte Erscheinungen tatsächlich am Himmel existierten oder vielleicht durch das Instrument selbst verursacht wurden.
Das war im Grunde eine wissenschaftlich vernünftige Frage.
Ein neues Messinstrument muss zunächst zeigen, dass man seinen Ergebnissen vertrauen kann.
Galileis Umgang mit Mathematik war mindestens ebenso wichtig wie seine Experimente.
Er war überzeugt, dass die Natur mathematisch beschrieben werden kann. In seinem Werk „Il Saggiatore“ schrieb er sinngemäß, das Buch der Natur sei in der Sprache der Mathematik geschrieben.
Dieser Gedanke wurde zu einem Grundprinzip der modernen Physik.
Eine physikalische Theorie sollte nicht nur eine Geschichte darüber erzählen, warum etwas passiert. Sie sollte möglichst genaue Vorhersagen ermöglichen.
Wie weit bewegt sich ein Körper?
Wie schnell wird er?
Welche Bahn beschreibt ein Geschoss?
Solche Fragen konnten zunehmend durch mathematische Beziehungen beantwortet werden.
Galilei untersuchte beispielsweise die Bewegung von Geschossen. Ein geworfener Gegenstand bewegt sich gleichzeitig nach vorne und fällt nach unten.
Diese beiden Bewegungen lassen sich gedanklich voneinander trennen.
Horizontal bewegt sich der Körper weiter, während er vertikal durch die Schwerkraft beschleunigt wird.
Aus der Kombination entsteht eine gekrümmte Flugbahn, die unter idealisierten Bedingungen einer Parabel entspricht.
Auch hier taucht ein Gedanke auf, der für die spätere Physik enorm wichtig wurde: Eine komplizierte Bewegung kann in einfachere Bewegungen zerlegt und anschließend mathematisch wieder zusammengesetzt werden.
Galileis Forschungen brachten ihn allerdings auch in einen Konflikt, der heute wahrscheinlich bekannter ist als viele seiner physikalischen Arbeiten.
Er unterstützte das kopernikanische Modell, nach dem sich die Erde um die Sonne bewegt. Damit geriet er zunehmend in Konflikt mit kirchlichen Autoritäten.
1632 veröffentlichte er seinen „Dialog über die beiden hauptsächlichsten Weltsysteme“. Darin diskutieren drei Gesprächspartner über das geozentrische und das heliozentrische Weltbild.
Ein Jahr später musste sich Galilei vor der römischen Inquisition verantworten.
Er wurde dazu gezwungen, seine Unterstützung des heliozentrischen Systems zu widerrufen, und verbrachte den Rest seines Lebens unter Hausarrest.
Die oft erzählte Geschichte, er habe anschließend trotzig „Und sie bewegt sich doch“ gesagt, ist historisch nicht zuverlässig belegt.
Sie passt zwar wunderbar zu unserem heutigen Bild von Galilei, taucht aber erst wesentlich später in Quellen auf.
Das tatsächliche Geschehen war ohnehin interessant genug.
Denn wissenschaftliche Erkenntnisse hängen nicht davon ab, ob jemand gezwungen wird, sie öffentlich zu widerrufen.
Die Beobachtungen blieben bestehen.
Andere Forscher konnten sie wiederholen.
Und genau darin liegt eine der wichtigsten Eigenschaften experimenteller Wissenschaft.
Ein Ergebnis sollte nicht davon abhängig sein, wer es behauptet.
Wenn ein Experiment funktioniert, muss ein anderer Mensch es unter vergleichbaren Bedingungen ebenfalls durchführen können.
Galilei starb 1642.
Ein Jahr später wurde Isaac Newton geboren.
Diese zeitliche Nähe wirkt im Rückblick fast symbolisch. Newton griff viele Gedanken auf, die Galilei vorbereitet hatte, und entwickelte daraus gemeinsam mit anderen Erkenntnissen die klassische Mechanik.
Galileis Bedeutung liegt deshalb nicht in einem einzelnen Experiment oder einer einzelnen Entdeckung.
Er verkörpert vielmehr einen Wandel der wissenschaftlichen Methode.
Die entscheidende Frage lautete zunehmend nicht mehr:
„Was hat ein großer Gelehrter darüber geschrieben?“
Sondern:
„Was passiert, wenn wir es ausprobieren?“
Und gleich danach:
„Können wir das Ergebnis messen?“
Und schließlich:
„Lässt sich daraus eine mathematische Regel ableiten?“
Natürlich entstand die Experimentalphysik nicht an einem einzigen Tag und auch nicht ausschließlich durch Galileo Galilei. Wissenschaftler vor und neben ihm hatten ebenfalls beobachtet, gemessen und experimentiert.
Doch bei Galilei kamen mehrere Dinge auf außergewöhnlich wirkungsvolle Weise zusammen: gezielte Experimente, quantitative Messungen, mathematische Beschreibung und die Bereitschaft, überlieferte Vorstellungen an der Beobachtung zu prüfen.
Genau diese Verbindung prägt die Physik bis heute.
Ein modernes Labor sieht vollkommen anders aus als Galileis Arbeitsplatz. Statt Holzrampen und Wassermessungen gibt es Laser, Atomuhren, Teilchenbeschleuniger und elektronische Sensoren.
Das Grundprinzip ist erstaunlich ähnlich geblieben.
Man stellt der Natur eine möglichst klare Frage.
Dann versucht man, die Antwort zu messen.