JAHRESBERICHT 2009 • 2010

Eine fallende Feder erfüllt die physikalischen Gesetzmässigkeiten
von Galilei nur im Vakuum
Lässt man eine Feder und eine Metallkugel fallen, so
haben sie nicht dieselben Fallzeiten. Dies heisst jedoch
nicht, dass Galilei falsch lag. Seine Theorie ist aber
unvollständig. Fallen Feder und Metallkugel im Vakuum,
wo die Einflüsse der Luft nicht vorhanden sind, so haben
beide dieselbe Fallzeit. Dies wurde 1659 durch Robert
Boyle erstmals experimentell bestätigt. Galileis Theorie
hat also nur in einem gewissen Bereich ihre Gültigkeit und
kann nur bei Körpern angewendet werden, bei welchen
die durch die Luft erzeugten Kräfte (Luftwiderstand,
Auftrieb) viel kleiner sind als die Gewichtskraft. Körper
wie Federn oder Fallschirme befinden sich klar ausserhalb
dieses Bereichs.
Jede physikalische Theorie hat einen Gültigkeitsbereich,
ausserhalb welchem sie nicht anwendbar ist. In der Physik
ist es nun häufig so, dass eine neue Entwicklung den Gültigkeitsbereich
einer Theorie vergrössert. Galileis Analyse
der fallenden Körper wurde ein halbes Jahrhundert später
durch die Bewegungsgesetze und das Gravitationsgesetz
von Isaac Newton (1643 – 1726) wunderbar erweitert,
wobei Naturwissenschaftler wie Copernikus, Brahe, Kepler
und Galilei vieles zur Basis der Mechanik beigesteuert
haben.
«Wenn ich weiter als andere gesehen
habe, dann nur deshalb, weil ich auf den
Schultern von Giganten stand.»
Isaac Newton
Die Gesetze der klassischen Mechanik sind über Jahrhunderte
immer wieder sehr genau bestätigt worden und
haben auch heute noch ihre Gültigkeit – im entsprechenden
Bereich.
Eines der wohl bedeutendsten Experimente der Physik
wurde 1887 von Albert Abraham Michelson und Edward
Morley durchgeführt. Die von aussen beobachtbare
Geschwindigkeit einer Person, welche auf einem Rollband
spaziert ergibt sich durch Addition der Geschwindigkeit
des Rollbandes und der Spaziergeschwindigkeit der Person
auf dem Rollband. Mit dem Michelson-Morley-Experiment
wurde Analoges mit einem Lichtstrahl untersucht. Die
Versuche ergaben, dass sich ein Lichtstrahl in Bewegungsrichtung
der Erde gleich schnell ausbreitet wie ein
Lichtstrahl, der entgegen der Bewegungsrichtung der Erde
ausgesendet wird. Dieses Ergebnis widerlegte die klassische
Mechanik und zeigte, dass die Gesetze der Newton-
Mechanik unvollständig sind und ihr Gültigkeitsbereich
sich auf Geschwindigkeiten beschränkt, die im Vergleich
zur Lichtgeschwindigkeit klein sind.
Albert Einstein (1879 – 1955) zog folgenden Schluss aus
dem «negativen» Ausgang des Experiments: Das Licht
breitet sich überall im leeren Raum mit derselben endlichen
Geschwindigkeit aus, wobei sie nicht von der Bewegung der
Lichtquelle abhängt (Invarianz der Lichtgeschwindigkeit).
Mit diesem Postulat entwickelte Albert Einstein im Jahre
1905 die spezielle Relativitätstheorie und damit Gesetzmässigkeiten,
die auch für grosse Geschwindigkeiten ihre
Gültigkeit haben – solange sie nicht durch ein Experiment
widerlegt werden (was bis heute nicht der Fall ist).
«Falls Gott die Welt geschaffen hat, war
seine Hauptsorge sicher nicht, sie so zu
machen, dass wir sie verstehen können.»
Albert Einstein
Physik ist nicht eine Sammlung von Fakten und Gesetzmässigkeiten.
Physik ist der (nicht abgeschlossene) Prozess, mit
welchem man zu allgemeinen Gesetzmässigkeiten gelangt,
die das Verhalten des gesamten Universums – von den kleinsten
Teilchen bis zu astronomischen Grössen – beschreiben.
Warum Physik lernen
Unser jetziges Verständnis der physikalischen Welt baut
auf den Fundamenten auf, die durch grosse Naturwissenschaftler
wie Galilei, Newton und Einstein gelegt wurden.
Ihr Einfluss erstreckt sich weit über die eigentliche Wissenschaft
hinaus und beeinflusst auch die Art und Weise
unseres Lebens und Denkens. Wenn wir lernen die Physik
einzusetzen, um praktische Probleme zu lösen und um
Einblicke in alltägliche Phänomene zu erhalten, so können
wir teilhaben an den phantastischen Entdeckungen der
«Giganten» und uns «auf deren Schultern» an unserem
Universum erfreuen.
Jahresbericht 25