Die Vermessung des Universums: Wie die Physik von morgen den letzten Geheimnissen auf der Spur ist (German Edition)

Scrovegni-Kapelle zu sehen ist, im 14. Jahrhundert, als der Halley’sche Komet mit bloßem Auge sichtbar war.
    Aber die Bilder waren keine wissenschaftlichen. Meine Reiseführerin wies auf ein Sternbild im Palazzo della Ragione hin, von dem man ihr ursprünglich sagte, dass es sich um die Milchstraße handelte. Sie bemerkte, dass ein erfahrenerer Führer ihr später den anachronistischen Zug dieser Deutung erklärt hatte. Zu der Zeit, als das Gemälde gemalt worden war, illustrierten die Leute nur das, was sie sahen. Es hätte ein Sternenhimmel sein können, aber es war nichts so Bestimmtes wie unsere Galaxie. Die Wissenschaft, wie wir sie heute verstehen, sollte erst noch kommen.
    Vor Galilei beruhte die Naturwissenschaft auf unmittelbaren Beobachtungen und reinem Denken. Die aristotelische Naturwissenschaft war das Modell für die Art und Weise, wie die Menschen versucht hatten, die Welt zu verstehen. Die Mathematik konnte zwar für Ableitungen verwendet werden, aber die zugrunde liegenden Annahmen wurden auf guten Glauben hin oder in Übereinstimmung mit direkten Beobachtungen gemacht.
    Galilei lehnte es ausdrücklich ab, seine Forschung auf eine »mondo di carta« (eine Papierwelt) zu gründen – er wollte das »libro della natura« (das Buch der Natur) lesen und erforschen. Um sein Ziel zu erreichen, änderte er die Methodologie der Beobachtung und erkannte darüber hinaus die Leistungsfähigkeit von Experimenten. Galilei wusste, wie man diese künstlichen Situationen einrichtete und mit ihnen umzugehen hatte, um Ableitungen über das Wesen der Naturgesetze vorzunehmen. Durch Experimente konnte Galilei Hypothesen über Naturgesetze prüfen, die er beweisen und – was genauso wichtig war – auch widerlegen konnte.
    Einige seiner Experimente fanden mit schiefen Ebenen statt: die geneigten, ebenen Oberflächen, die eine so hervorragende – aber auch verdrießliche – Stellung in jedem einführenden Physiklehrbuch einnehmen. Für Galilei waren schiefe Ebenen nicht einfach nur irgendwelche künstlichen Schulprobleme, wie sie manchmal den Physikstudenten in Einführungskursen erscheinen. Sie waren vielmehr eine Möglichkeit, die Geschwindigkeit fallender Körper zu studieren, indem er die Abwärtsbewegung von Gegenständen über eine horizontale Entfernung ausdehnte, so dass er sorgfältige Messungen vornehmen konnte, wie sie »fielen«. Mit einem Wasserchronometer maß er die Zeit, aber außerdem befestigte er auf raffinierte Weise Glöckchen an bestimmten Punkten, so dass er sein hervorragendes musikalisches Gehör einsetzen konnte, um die Geschwindigkeit zu bestimmen, wenn eine Kugel nach unten rollte, wie in Abbildung 7 zu sehen ist. Durch diese und andere Experimente, die sich auf Bewegung und Schwerkraft bezogen, legte Galilei gemeinsam mit Johannes Kepler und René Descartes die Grundlage für die Gesetze der klassischen Mechanik, für deren Entwicklung Isaac Newton so berühmt ist.

Abb. 7: Galilei maß, wie schnell eine Kugel eine schiefe Ebene hinabrollte, indem er Glöckchen zur Bestimmung ihrer Fortbewegung verwendete.
    Galileis Wissenschaft ging auch über das hinaus, was er beobachten konnte. Er schuf Gedankenexperimente – Abstraktionen, die auf dem gründeten, was er sah –, um Vorhersagen zu machen, die sich auf Experimente bezogen, welche zu jener Zeit niemand wirklich durchführen konnte. Am berühmtesten ist vielleicht seine Vorhersage, dass Gegenstände – bei Fehlen eines Widerstands – alle mit derselben Geschwindigkeit fallen. Obwohl er die idealisierte Versuchsanordnung nicht verwirklichen konnte, sagte er voraus, was geschehen würde. Galilei erkannte die Rolle der Schwerkraft bei Gegenständen, die auf die Erde fallen, er wusste aber auch, dass der Luftwiderstand sie abbremst. Solide Wissenschaft erfordert, dass man alle Faktoren kennt, die eine Messung beeinflussen könnten. Gedankenexperimente und wirkliche physikalische Experimente gestatteten ihm, ein besseres Verständnis des Wesens der Schwerkraft zu gewinnen.
    Es ist eine interessante historische Koinzidenz, dass Newton, einer der größten Physiker, die diese wissenschaftliche Tradition fortführen sollten, im selben Jahr geboren wurde, in dem Galilei starb. (Bei einem Vortrag, den Stephen Hawking hielt, brachte er seine Freude darüber zum Ausdruck, dass er genau drei Jahrhunderte später geboren wurde.) Die Tradition des Entwerfens von physikalischen und Gedankenexperimenten, ihrer Interpretation und des