Von der klassischen zur modernen Physik

Im 17. Jahrhundert begannen Wissenschaftler, sich zu fragen: "Sind wir wirklich sicher, dass die Dinge so funktionieren?" Galileo Galilei, der italienische Astronom und Mathematiker, war nicht zufrieden mit Erklärungen wie Weil der Papst das so sagt oder "So machen wir es seit Aristoteles". In Frankreich ging der Philosoph René Descartes in seiner Frage nach dem garantiert richtigen Wissen so weit, dass sich am Ende nur seiner Existenz sicher war. Ich denke, also bin ich. Oder auf Latein: "Cogito ergo sum." Auch der Engländer Francis Bacon interessierte sich für die Prinzipien, wie wir Wissen über die Welt erlangen können.

Er legte den Grundstein zu einer Arbeitsweise, die wir immer noch die wissenschaftliche Methode nennen: Die Methode basiert auf das Treffen von Vorhersagen, die dann systematisch überprüft werden, in Experimenten. Entspricht die Realität nicht den Vorhersagen, werden die dahinter stehenden Ideen verworfen. Dann werden neue entworfen und erneut überprüft! In dem Jahr, in dem Galileo Galilei starb (1642), wurde ein anderer Mann, Isaac Newton, in England geboren. Isaac Newton hat die traditionellen und intuitiven Ideen in der Physik in Zweifel gezogen– wohl mehr als jeder andere in der Geschichte.

Er entdeckte durch Experimente und eine völlig neue Art von Berechnungen die Naturgesetze, in verschiedenen Bereichen. Heutzutage ist Isaac Newton wohl am besten für seine Erklärung der Schwerkraft bekannt. Das ist die Anziehungskraft, die einen Apfel nach unten fallen lässt und den Mond auf seiner Umlaufbahn um die Erde hält. Isaac Newton war auch der erste, der richtig erklärte, wie Kräfte..., Masse... & Bewegung... miteinander verbunden sind.

Die Physik, die in dieser Zeit entwickelt wurde, wird die klassische Physik genannt. Oder zu Ehren des alten Isaac: Newtonsche Physik. Die klassische Physik funktioniert auch heute noch sehr gut, wenn es darum geht, die meisten Alltagsphänomene zu erklären. Wir nutzen immer noch die Newtonschen Gesetze der Bewegung, um zu berechnen, wie ein Objekt fällt und um Satelliten in das Weltall zu senden. Solange wir uns an gewohnte Größen und Geschwindigkeiten halten, sind Newtons Berechnungen eindrucksvoll präzise.

Aber wenn wir sehr kleine Dinge erforschen – wie einzelne Atome oder noch kleiner – dann passiert etwas Besonderes. In dieser Welt der klitzekleinen Dinge – unter Protonen, Neutronen und Elektronen – sind die Naturgesetze völlig anders als die der Newtonschen Physik. Genau da kommt die Quantenmechanik ins Spiel. Die Quantenmechanik ist, gelinde gesagt, ein seltsames Gebiet der Physik. In der Quantenmechanik kann ein Teilchen existieren, ohne dabei an einem bestimmten Ort anwesend zu sein.

Ein Elektron, zum Beispiel, ist ein Teilchen, dessen Position nur mit Wahrscheinlichkeit beschrieben werden kann, aber nicht als exakter Ort! Die Quantenmechanik widerspricht oft unserem intuitiven Verständnis der Physik. Der Versuch, sie zu begreifen, kann genauso spannend wie verwirrend sein. So wie die klassische Physik nicht bei sehr kleinen Abständen gilt, scheitert sie auch an Dingen, die mit sehr hoher Geschwindigkeit unterwegs sind. Ein Zug fährt 100 Kilometer pro Stunde, und jemand läuft gleichzeitig mit 10 km/h auf dem Zugdach, in dieselbe Richtung wie der Zug.

Im Verhältnis zum Boden ist er nun mit 110 Kilometern pro Stunde unterwegs (da 100 plus 10 gleich 110 ist). Bis hierher alles OK. Aber wenn er auf dem Zugdach steht, eine Taschenlampe anschaltet und nach vorne richtet, dann bewegt sich das Licht nicht schneller, als wenn er auf dem Boden stehen würde. Ganz schön verwirrend, oder? Um mit Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit umzugehen, brauchst du Einsteins spezielle Relativitätstheorie.

Und diese Theorie verträgt sich, so wie die Quantenmechanik, ganz schlecht mit unserem täglichen, intuitiven Verständnis der Physik. Wenn du also möchtest, ist hier eine grobe Sortierung von Physik in drei Kategorien: Zuerst haben wir da die vorklassische Physik – man nennt sie aristotelische Physik. Sie wird weithin durch Intuition geformt und dann von Tradition und Religion getragen. Später, im 17. Jahrhundert, stellten Menschen wie Galileo, Newton und andere die aristotelische Physik auf den Kopf.

Dank strukturierter Experimente und Mathematik nahm die klassische Physik Form an. 300 Jahre später, am Anfang des 20. Jahrhunderts, wurde die klassische Physik dann selbst hinterfragt und die Tür zur modernen Physik geöffnet, und damit auch zur Quantenmechanik und Relativitätstheorie. Na, raucht dir auch gerade der Kopf?! Es gibt gute Gründe, dankbar zu sein für die vielen Entdeckungen, die auf dem kurvenreichen Weg der Physik gemacht wurden.

Denn ohne diese Entdeckungen könntest du heute nicht... ...Musik auf deiner Party streamen. Wir müssen in der Tat gar nicht weit in der Zeit zurückgehen, ehe du all die nützlichen Sachen vermisst, die Physik dir beschert hat.