Die Anfänge der Physik

Früh geschichtliche Theorien und Experimente bilden die Grundlage der heutigen Physik.

Früh geschichtliche Theorien und Experimente bilden die Grundlage der heutigen Physik, die aus der Naturphilosophie entstanden ist. Auch heute muten physikalische Fragen noch philosophisch an, wie z.B. die Frage, ob Zeit existiere oder bloße Illusion sei. Laut Relativitätstheorie gibt es keine spezielle Gegenwart und alle Momente sind gleich real, sie vertritt also die Theorie der Abwesenheit von Zeit, während für die Quantenmechanik die Zeit eine zentrale Rolle spielt. Ob beide Theorien in Zukunft zu vereinen sind oder zumindest eine von beiden überholt werden muss, bleibt bis heute offen.

Naturphilosophie - Die Naturphilosophie als Basis der Physik

Wie heute, suchte damals die frühe Naturphilosophie, ein Teilgebiet der Philosophie, auf der die heutigen Naturwissenschaften aufgebaut wurden, nach Gesetzmäßigkeiten für den Ursprung Erde, den Umlauf der Himmelskörper, den Wandel der Zeit usw.. Dies geschah bei den alten Griechen erstmals abgekoppelt von den Religionen. Thales nahm als Urstoff der Weltentstehung Wasser an, Anaximandros etwas Unbestimmtes, Grenzenloses, wie Luft, Seele oder Atem, Heraklit ging von einem Urfeuer aus. Empedokles fasste in Folge der Vordenker die Grundstoffe zu den vier Elementen Wasser, Feuer, Erde und Luft zusammen. Der Elementbegriff aus der Chemie hat ebenfalls hier bereits seine Ursprünge.

Platon erklärte Materie mit Hilfe von geometrischen Figuren und mathematischen Symmetrien. Aristoteles verwirft jedoch Platons Vorstellung, dass alles Seiende in einer mathematischen Formelwelt zu finden sei, er ordnet den Dingen inkohärente physikalische Qualitäten zu. Die natürliche Bewegung des Steins, sei der senkrechte Fall zur Erde (ein Wurf z.B. sei eine unnatürliche Bewegung); Aristoteles verzichtet hier auf Experimente, zu dieser Zeit wird ein mathematischer Zugriff nur ermöglicht, durch die Idealisierung der Phänomene, also auch durch die Abwesenheit von Experimenten. In der Mechanik sah Aristoteles keine physikalischen Ereignisse, sondern eine Kunst und List der Menschen, die sie sich gegen die Natur zur Hilfe nahmen.

Die erste Atomtheorie - Leukippos und Demokritis

Schon 470-360 v. Chr. entwickelte Leukippos mit seinem Schüler Demokritis eine erste Atomtheorie: unveränderliche, unteilbare Baustoffe (Atome), die aus dem gleichen Stoff bestehen und nur in Größe, Gestalt und Form verschieden seien, treten zusammen und bilden alles Seiende. Das Auseinanderfallen der Atome führe zu dem Vergehen der Dinge. Die Atome bewegen sich im leeren Raum von der Ewigkeit nach einem allgemeinen Gesetz, ihre Bewegungen fügen das Sichtbare zusammen und führen zu Veränderungen.

Die ersten Experimente - Der Ursprung wissenschaftlichen Experimentierens

Das Experiment geht über das reine Beobachten hinaus, es erfordert ein aktives Eingreifen in das Geschehen, eine Veranstaltung zur Beweisführung. Es ist anzunehmen, dass die Akustik die älteste Experimentalwissenschaft ist. So brachten die Pythagoreer die Umlaufbahnen der Himmelskörper mit musikalischen Akkorden in Verbindung, da Oktave, Quinte und Quarte durch Zahlenverhältnisse dargestellt werden konnten.

Empedokles (490-430 v.Chr.) bewies die Körperhaftigkeit von Luft, indem er eine oben verschlossene Röhre senkrecht ins Wasser hielt: die Luft, die den Raum der Röhre ausfüllte, ließ kein Wasser eindringen, somit war die Körperhaftigkeit, die Ausdehnung der Luft im Raum bewiesen; umgekehrt ließ die Röhre kein Wasser hinaus, wenn man sie unverschlossen eintauchte und oben verschlossen aus dem Wasser zog.

Aristoteles (384-322 V. Chr.) beschreibt in seinen Schriften ein Experiment über den Vorgang der Hyperfiltration bzw. Umkehrosmose: so behauptet er, wenn ein präpariertes Gefäß für 24 Stunden etwa 250-500 Meter tief ins Meer gelassen werde und es dann wieder nach oben gezogen werde, sich in diesem eine geringe Menge Süßwasser befinden würde. Ungeklärt ist allerdings, ob Aristoteles, der für seine Methode des Beobachtens und logischen Schlussfolgerns bekannt ist, dieses Experiment selbst durchgeführt hat.

Archimedes und der Beginn der physikalischen Technik - Archimedes und das Dogma des Aristoteles

Archimedes (290-212 v. Chr.) entwickelte die Archimedische Schraube und den Flaschenzug und baute mechanische "Kräne" für König Hieron II. als Kriegsmaschinen, die feindliche Schiffe aus dem Wasser heben und an den Felsen zerschellen lassen konnten, auf den Prinzipien des Flaschenzugs und Hebels.

Trotz der Fähigkeit seit Archimedes über experimentelle Möglichkeiten und mathematische Methoden zu verfügen, wurde die Technik der physikalische Methoden nicht weiter ausgebaut, da das Dogma des Aristoteles, Technik und Physik zu trennen, nicht abgelöst werden konnte.

Erst Galilei vermochte es, sich von der aristotelischen Naturphilosophie zu trennen und testete die platonischen Gesetze per Experiment. Er hebt die Trennung der Antike zwischen Physik und Technik auf, zwischen natürlichen und unnatürlichen Bewegungen und widerlegte 1638 in seinen Schriften (Bewegungs- und Fallgesetze) Aristoteles Theorie, dass schwere Objekte schneller fallen, als leichte.

Quellen:

Störig: Kleine Weltgeschichte der Wissenschaft, Fischer, 2007

Meilensteine der Wissenschaft: Eine Zeitreise, Elevier, Spektrum akademischer Verlag, 2005

Spektrum der Wissenschaft. 10/2010, 07/2010

Bild: Martin Genter - pixelio.de