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Axel Bruns
Die Geschichte der Physik
wie es zur Physik bis heute kam
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Inhaltsverzeichnis
Die Geschichte der speziellen Relativitätstheorie
Tests der speziellen Relativitätstheorie
Entwicklung physikalischer Idee
Die Einweg-Lichtgeschwindigkeit
Die Geschichte der Physik
Die Geschichte der Physik als eigenständige Naturwissenschaft begann im 16. Jahrhundert mit der Einführung der experimentellen Methode in die Erkenntnisfindung durch Galileo Galilei. Die Begründer der Physik bezogen sich dabei vielfach auf aus der Antike überlieferte Schriften. .Von der frühen Neuzeit bis ins 19. Jahrhundert entwickelte sich die klassische Physik: Isaac Newton legte den Grundstein der Mechanik, die sich mit der Bewegung und Wechselwirkung von Körpern beschäftigt. James Clerk Maxwell fand mit der Elektrodynamik eine Theorie, die alle elektrischen und magnetischen Effekte in einheitlicher Weise beschreibt. Nach und nach gelang es, fast alle damals bekannten Phänomene auf diese beiden Grundlagen zurückzuführen. Insbesondere wurde Hitze in der Thermodynamik als ungeordnete Bewegung von Teilchen und Licht in der Optik als elektromagnetische Welle verstanden. Experimentelle Befunde, darauf aufbauende Theorien sowie Erkenntnisse aus der Chemie ließen die atomistische Struktur der Materie erkennen.Ausgelöst durch die spezielle und die allgemeine Relativitätstheorie Albert Einsteins einerseits, sowie die Quantenphysik andererseits, kam es Anfang des 20. Jahrhunderts zu einem Paradigmenwechsel. Die moderne Physik führte zu einer grundlegend anderen Betrachtungsweise als die der klassischen Physik. Dennoch enthält sie vollständig deren Erkenntnisse. Mit ihr erweiterte und vertiefte sich das Wissen sowohl im mikroskopisch Kleinen (Teilchen-, Kern- und Atomphysik) als auch im astronomisch Großen (Astrophysik und Kosmologie). Vor allem mit der Festkörperphysik und Laserphysik lieferte sie außerordentlich wichtige Beiträge zur technischen Anwendung.Die Quantenphysik und die allgemeine Relativitätstheorie bilden heute die Grundpfeiler des physikalischen Weltbilds.Die griechische Naturphilosophie griff mesopotamische und ägyptische Kenntnisse auf und suchte nach grundlegenden Erklärungsprinzipien.
Einzelne Sachverhaltsbeschreibungen wurden bereits mathematisiert. Eine experimentelle Methodik war jedoch noch nicht etabliert.Die ionische materialistische Naturphilosophie eines Thales, Anaximander, Anaximenes, Heraklit erwarb Kenntnisse über Naturphänomene wie Ab- und Zunahme der Luftdichte, den Aufstieg warmer Luft, magnetische Anziehung und Bernsteinreibung.Empedokles begründete die lange Zeit maßgebliche Lehre von vier Elementen. Leukippos und Demokrit führten die von Epikur weiterverfolgte Atomhypothese ein: alles besteht aus kleinsten Teilchen, die selbst nicht teilbar oder intrinsisch wandelbar sind und deren Zusammensetzung den Wandel der Phänomene erklärt.Im heutigen Gebiet der Optik entwickelten die griechischen Philosophen Pythagoras, Demokrit, Empedokles und andere mehrere Theorien des Lichts. Euklid entwickelte sie nach dem von ihm entworfenen Ideal der Geometrie weiter und untersuchte insbesondere die Spiegelung mathematisch. Ptolemaios folgte ebenfalls diesem mathematischen Methodenideal und maß u. a. die Lichtbrechung durch Experimente. Heron von Alexandria versucht, das Reflexionsgesetz und die Lichtbrechung dadurch zu erklären, dass das Licht den kürzesten Weg zwischen zwei Punkten nimmt.Bei den in der Legende von Pythagoras in der Schmiede beschriebenen Zahlenverhältnissen von Wohlklängen handelt es sich um das erste konkret und quantitativ beschriebene Naturgesetz, ohne dass jedoch klar ist, wie man zu diesem Gesetz gelangt ist.Platon nahm immaterielle Urbilder an und versuchte, damit Bewegung und Gravitation zu erklären. Im Timaios entwickelte er Ansätze einer Kosmologie. Nach der Ontologie des Aristoteles ist die Identität und der Wandel der Objekte durch das Arrangement zweier Grundprinzipien erklärbar, Form und Materie.
Er nahm vier Ursachen an, unter welchen die Bewegungsursache nur eine ist (neben Ziel, Form und Materie). Seine Bewegungslehre ist eine Vorform der klassischen Dynamik. Auch sonst beschrieb er Naturphänomene eher materialistisch. Aristoteles hat diverse physikalische und sonstige naturwissenschaftliche Studien betrieben und Werke oder Vortragsnotizen u. a. über die Physik, den Himmel, das Wetter, Entstehen und Vergehen, Fragen der Mechanik zusammengestellt.Mit seinem Werk Physik prägte Aristoteles den Begriff "Physik" (alles natürlich Gewachsene im Gegensatz zu Artefakten); sein Werk beschreibt die Natur nicht im heutigen Sinne mathematisch.Darüber hinaus bestand ein ausgeprägtes Anwendungsinteresse, das Erfinder wie Ktesibios, Philon von Byzanz oder Heron prägte, welche hydraulische, pneumatische und mechanische Phänomene nutzten. Archimedes beschrieb um 250 v. Chr. den statischen Auftrieb und die Hebelgesetze. Er bestimmte den Schwerpunkt von Flächen und Körpern und mathematisierte nach dem Vorbild des Euklid Statik und Hydrostatik.Ab dem 2. Jahrhundert bis Ende des 6. Jahrhunderts n. Chr. werden kaum noch neue Erkenntnisse gewonnen.Diverse antike und frühmittelalterliche Kompendien überliefern die physikalischen Kenntnisse der antiken Wissenschaftler.Im arabischen Kulturraum sind u. a. die Zusammenstellungen und Kommentierungen von Avicenna und Averroes wichtig, die auch für die im 12. und 13. Jahrhundert erfolgende Rezeption antiken Wissens im lateinischen Westen bedeutsam werden.Insgesamt hat sich das bei Aristoteles stark ausgeprägte Interesse an einer Ausweitung physikalischer Einzelerkenntnisse und ihrer zusammenfassenden Systematisierung im lateinischen Westen über längere Zeit hin verloren.
Stattdessen überwiegt ein Interesse an der Natur als Zeichen für den göttlichen Willen, wie dies schon die Bibelauslegung des Augustinus kennzeichnete.Ein Interesse an der Natur im Sinne empirischer Erklärungssuche wird Anfang des 12. Jahrhunderts rudimentär greifbar, etwa bei Adelard von Bath, der die Natur nicht mehr als „Buch“ göttlicher Zeichen versteht, sondern in seinen Quaestiones naturales biologische, physiologische, kosmologische und klimatologische Phänomene beschreibt und sich nicht auf Buchwissen, sondern Beobachtung, experimentum, stützt, ohne dies freilich methodologisch auszuarbeiten.Robert Grosseteste entwickelt im Anschluss an die platonische geometrische Weltbetrachtung eine Lichttheorie, welche die quantitative, qualitative, räumliche und substantielle Bewegung auf Lichtgesetze zu reduzieren versucht (De motu corporali et luce und De lineis). Damit wird die Optik (bei Robert scientia perspectiva) eine „Modellwissenschaft“ Auch Roger Bacon will alle Naturkausalität als Wirkung energetischer Strahlung erklären. Witelo gibt der Optik einen ähnlich zentralen Rang in seiner Übertragung und Erklärung der Perspectiva von Ibn al-Haitam. Die ähnlich angelegte Perspectiva communis Johannes Peckhams wird noch von Lorenzo Ghiberti und Leonardo da Vinci verwendet.Kurz vor Mitte des 14. Jahrhunderts arbeitet Nikolaus von Autrecourt eine scharfe Kritik am Wissenschaftsstatus metaphysischer