Galileo Galilei

Bedeutung und Lebensweg

Galileo Galilei (* 15. Februar 1564 in Pisa; † 29. Dezember 1641^jul. / 8. Januar 1642^greg. in Arcetri bei Florenz) war ein italienischer Universalgelehrter: Physiker, Astrophysiker, Mathematiker, Ingenieur, Astronom, Philosoph und Kosmologe. Seine besondere Bedeutung liegt in der Verbindung von Experiment, Messung und mathematischer Analyse. Damit wurde er zu einem wichtigen Mitbegründer der neuzeitlichen exakten Naturwissenschaften.

Nach einem abgebrochenen Medizinstudium studierte er Mathematik. Von 1589 bis 1592 lehrte er Mathematik in Pisa, von 1592 bis 1610 in Padua. Dort entwickelte und verkaufte er unter anderem einen Proportionalzirkel, ein Recheninstrument für geometrische und militärische Berechnungen. Ab 1610 war er Hofmathematiker und Hofphilosoph des Großherzogs der Toskana in Florenz und konnte sich weitgehend der Forschung widmen.

Galilei baute das in Holland erfundene Fernrohr wesentlich weiter: Zunächst erreichte er etwa neunfache, später bis zu 30-fache Vergrößerung. Sein Sidereus Nuncius von 1610 machte ihn berühmt. Nach dem Prozess von 1633 lebte er bis zu seinem Tod unter Hausarrest in Arcetri. Sein physikalisches Hauptwerk Discorsi e Dimostrazioni Matematiche intorno a due nuove scienze erschien 1638 außerhalb des Einflussbereichs der katholischen Kirche bei Elsevier.

Neue Methode der Naturforschung

Galileis Ansatz richtete sich gegen die bloße Berufung auf Tradition und Autoritäten. Naturwissenschaft solle die Wahrheit in der Natur suchen, nicht allein in Texten. Wesentliche Schritte seiner Methode sind:

• Skepsis gegenüber Argumenten, die nur auf Autorität beruhen.
• Experiment: Naturvorgänge werden selbstständig untersucht, unabhängig von philosophischen oder theologischen Lehrsätzen.
• Mathematisierung: Hypothesen werden mit Mathematik formuliert und geprüft.
• Abstraktion: Unwichtige Einflüsse werden bewusst ausgeblendet, um idealisierte Modelle zu bilden; anschließend müssen Abweichungen und Fehlerquellen bedacht werden.

Galilei verstand die Natur als „Buch“, das in mathematischer Sprache geschrieben sei; seine Zeichen seien etwa Kreise, Dreiecke und andere geometrische Figuren. Er wollte nicht das verborgene Wesen der Dinge erklären, sondern beobachtbare Beziehungen von Körpern, Raum, Zeit und Bewegung untersuchen. Technik und Mechanik galten ihm dabei nicht als Gegensatz zur Natur: Instrumente und Maschinen machen ihre Gesetzmäßigkeiten sichtbar, können sie aber nicht „überlisten“.

Diese Denkweise führte auch zu einer einheitlicheren Auffassung von Erde und Himmel. Der Mond ist nach seinen Beobachtungen nicht vollkommen glatt, die Sonne nicht fleckenlos; Himmelskörper sollten daher nicht grundsätzlich aus einer besonderen, vollkommenen Materie bestehen.

Bewegung, Fall und Maschinen

Galileis Kinetik ist die mathematische Beschreibung von Bewegung. Statt vor allem nach deren Ursachen zu fragen, untersuchte er präzise, wie sich Geschwindigkeit und Weg verändern. Bei gleichförmiger Bewegung gilt s(t)=v_0·t. Bei gleichmäßig beschleunigter Bewegung gilt s(t)=α·t². Beschleunigung bedeutet dabei, dass die Geschwindigkeit stetig mit der Zeit zunimmt; sie ist nicht dasselbe wie Geschwindigkeit.

Für Fallversuche nutzte Galilei Kugeln auf einer schiefen Ebene. Diese verlangsamte die Bewegung und machte Messungen möglich, etwa mit Wasseruhren. Die verbreitete Erzählung, er habe selbst Kugeln vom Schiefen Turm von Pisa fallen lassen, ist laut Artikel eine Legende ohne verlässlichen Beleg. Gesichert sind seine Pendelversuche und seine Untersuchungen an der schiefen Ebene. Er fand, dass die Fallgeschwindigkeit proportional zur verstrichenen Zeit anwächst. Für ein Punktmassenpendel ist die Schwingungsdauer T unabhängig von der Pendelmasse m und proportional zur Quadratwurzel der Fadenlänge: T∼√l.

Beim freien Fall widersprach Galilei Aristoteles: Körper unterschiedlicher Gewichte kommen, abgesehen von Widerständen, gleichzeitig an. Sein Gedankenexperiment verbindet einen schweren und einen leichten fallenden Körper. Wenn der leichte den schweren abbremsen müsste, wäre das verbundene Paar langsamer als der schwere Körper allein, zugleich aber insgesamt schwerer – ein Widerspruch zur aristotelischen Annahme.

Für den waagrechten Wurf zerlegte Galilei die Bewegung in unabhängige Komponenten: horizontal x(t)=v_x·t, also gleichförmig, und vertikal y(t)=α_y·t², also gleichmäßig beschleunigt. Ihre Überlagerung, das Superpositionsprinzip, ergibt eine parabelförmige Flugbahn. Luftwiderstand und andere Abweichungen gehören dabei zu den in der Wirklichkeit zu prüfenden Fehlerquellen.

Bei Maschinen verallgemeinerte Galilei das Hebelprinzip durch virtuelle Geschwindigkeiten. Am Hebel gilt im Gleichgewicht F_G^B:F_G^D=v_D:v_B=h_ID:h_BG. Daraus folgt die Goldene Regel der Mechanik: Was an Kraft gewonnen wird, geht an Weg verloren, und umgekehrt. Das Kompensationsprinzip besagt entsprechend, dass Kraft, Weg und benötigte Zeit sich bei Maschinen gegenseitig ausgleichen; ein Perpetuum mobile lässt sich so nicht gewinnen.

In den Discorsi formulierte er außerdem einen Vorläufer der Energieerhaltung: Ein Körper erreicht nach dem Herabgleiten von gleichen Höhen auf unterschiedlich geneigten Ebenen ohne Widerstände stets dieselbe Endgeschwindigkeit. Für Höhe h und Endgeschwindigkeit v gilt h∼v² beziehungsweise h=β·v²; der richtige Vorfaktor β=1/2g blieb bei Galilei unbestimmt. In der Festigkeitslehre fand er für die Bruchfestigkeit W Beziehungen wie W_1=k_1·h² für einen rechteckigen Balken und W_2=k_2·d³ für einen zylinderförmigen Balken.

Relativität, Trägheit und Astronomie

Galileis Relativitätsprinzip besagt: Rein mechanische Vorgänge wie Fallen oder Stoßen verlaufen auf einem gleichförmig bewegten Schiff genauso wie an Land. Aus solchen Vorgängen lässt sich daher kein absoluter Unterschied zwischen Ruhe und gleichförmiger Bewegung feststellen. Das Prinzip stellte die Vorstellung eines fest ausgezeichneten Weltmittelpunkts in Frage.

Daran knüpft seine Vorform des Trägheitsprinzips an. Eine gleichförmige horizontale Bewegung benötigt keine dauernde äußere Kraft; ohne Ursache für Verzögerung würde sie fortdauern. Galilei bezog dies allerdings auch auf Kreisbewegungen. Die heute geltende Form, nach der kräftefreie Bewegung geradlinig ist, formulierte erst Newton im Ersten Newtonschen Gesetz.

Mit dem Fernrohr beobachtete Galilei die raue Mondoberfläche, den Erdschein, die Milchstraße als Ansammlung zahlloser Sterne, Sonnenflecken, Venusphasen und vier große Jupitermonde, die heute Galileische Monde heißen. Die Jupiterbeobachtung widerlegte die Vorstellung, alles müsse die Erde umkreisen. Venusphasen zeigten, dass das ptolemäische Weltbild nicht haltbar war. Seine Beobachtungen stützten das heliozentrische System von Nikolaus Kopernikus, bewiesen es aber nicht zwingend, weil auch das tychonische Weltmodell sie erklären konnte.

Galilei deutete die Gezeiten irrtümlich als Folge der Drehung und Umlaufbewegung der Erde. Die Hauptursache sind nach dem Artikel die räumlich variierenden Anziehungskräfte von Mond und Sonne, die Isaac Newton 1687 zutreffend beschrieb. Galilei hielt außerdem an Kreisbahnen fest und lehnte Keplers Ellipsenbahnen ab, obwohl diese die Planetenpositionen besser erklärten.

Konflikt mit Kirche und spätere Rehabilitierung

Galilei war ein gläubiges Mitglied der katholischen Kirche. Er vertrat jedoch die Auffassung, die Bibel lehre den Glauben mit Metaphern und solle nicht wörtlich als Beschreibung physikalischer Vorgänge verwendet werden. Forschung müsse daher von kirchlicher Lehrdoktrin getrennt werden. Kardinal Robert Bellarmin ermahnte ihn 1616, das kopernikanische System nicht als Tatsache zu verteidigen, sondern höchstens als Hypothese zu behandeln. Das Verfahren von 1616 war laut Artikel kein Inquisitionsprozess gegen Galilei.

1623 wurde sein Förderer Maffeo Barberini Papst Urban VIII. Galileis Dialogo di Galileo Galilei sopra i due massimi sistemi del mondo, Tolemaico e Copernicano erschien im Februar 1632. Das Buch behandelte das ptolemäische und das kopernikanische Weltbild in italienischer Volkssprache, erklärte das Relativitätsprinzip und brachte die falsche Gezeitentheorie als Hauptargument für die Erdbewegung. Es verschwieg jedoch das tychonische Modell, das ebenfalls zu den Beobachtungen passte. Galilei ließ die geforderte Schlussrede zugunsten des ptolemäischen Systems durch die Figur Simplicio vortragen; zudem erschien ein Argument Urban VIII. darin nicht angemessen berücksichtigt.

1633 wurde Galilei in Rom vernommen. Am 22. Juni 1633 verurteilte ihn die Inquisition wegen Missachtung eines kirchlichen Befehls zu lebenslanger Kerkerstrafe, nachdem er seinen „Irrtum“ abgeschworen hatte. Drei der zehn zuständigen Kardinäle unterschrieben das Urteil nicht. Die Strafe wurde bereits am nächsten Tag in Hausarrest umgewandelt; in einem Kerker saß Galilei nie. Der Satz „Eppur si muove“ („und sie bewegt sich doch“) gilt als nachträgliche Erfindung.

Unter Hausarrest durfte Galilei seine weniger kontroversen Forschungen fortsetzen, aber nicht veröffentlichen. 1637 erblindete er auf dem rechten Auge, 1638 vollständig. 1979 ließ Johannes Paul II. den Fall erneut untersuchen. Am 31. Oktober 1992 erklärte er die Verurteilung zum Fehler, der auf einer unzureichenden Berücksichtigung des Verhältnisses von kirchlicher Lehre und Wissenschaft beruht habe; am 2. November 1992 wurde Galilei formal rehabilitiert.