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Geschichte der Physik
Die Geschichte der Physik als einer eigenständigen Naturwissenschaft begann Anfang des 17. Jahrhunderts mit der Einführung der experimentellen Methode der …
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Ursprung und Bedeutung der Physik
Die Physik entwickelte sich Anfang des 17. Jahrhunderts zu einer eigenständigen Naturwissenschaft. Entscheidend war vor allem Galileo Galileis Forderung, Aussagen über die Natur durch sorgfältig geplante, reproduzierbare Beobachtungen und Experimente zu prüfen und mathematisch auszuwerten. Experimentelle Ergebnisse erhielten damit Vorrang vor rein philosophischen oder theologischen Erklärungen.
Bis Ende des 19. Jahrhunderts entstand die klassische Physik. Ihre Hauptgrundlagen waren die klassische Mechanik Isaac Newtons, die Bewegungen und Wechselwirkungen von Körpern beschreibt, und die Elektrodynamik James Clerk Maxwells, welche elektrische und magnetische Erscheinungen vereinheitlicht. Die Thermodynamik deutete Wärme als ungeordnete Bewegung von Teilchen; die Optik erklärte Licht als elektromagnetische Welle. Zusammen mit Erkenntnissen der Chemie führte dies zur Vorstellung, dass Materie aus Atomen aufgebaut ist.
Zu Beginn des 20. Jahrhunderts bewirkten Albert Einsteins Relativitätstheorien und die Quantenphysik einen Paradigmenwechsel, also eine grundlegende Veränderung des physikalischen Weltbildes. Die moderne Physik verwendet neue Begriffe von Raum, Zeit und Materie, erhält aber die bewährten Ergebnisse der klassischen Physik in deren Gültigkeitsbereich. Quantenphysik und Relativitätstheorie sind heute die Grundpfeiler des physikalischen Weltbilds. Sie erweiterten das Wissen sowohl im mikroskopisch Kleinen als auch im astronomisch Großen und schufen unter anderem mit Festkörper- und Laserphysik wichtige Grundlagen moderner Technik.
Von der Antike bis zur Renaissance
Die griechische Naturphilosophie übernahm Kenntnisse aus Mesopotamien und Ägypten und suchte nach allgemeinen Erklärungsprinzipien. Einige Zusammenhänge wurden bereits mathematisch beschrieben, eine systematische experimentelle Methode fehlte jedoch. Empedokles begründete die lange einflussreiche Vier-Elemente-Lehre. Leukippos und Demokrit formulierten die Atomhypothese: Alles bestehe aus kleinsten, unteilbaren und in sich unveränderlichen Teilchen; Veränderungen entstünden durch deren unterschiedliche Zusammensetzung.
In der Optik wurden verschiedene Lichttheorien entwickelt. Euklid untersuchte die Spiegelung geometrisch, Ptolemaios maß experimentell die Lichtbrechung und Heron von Alexandria erklärte Reflexion und Brechung mit der Annahme, Licht nehme den kürzesten Weg. Archimedes beschrieb um 250 v. Chr. den statischen Auftrieb und die Hebelgesetze und mathematisierte Statik und Hydrostatik. Aristoteles ordnete zahlreiche Naturbeobachtungen in ein umfassendes System ein und prägte mit seinem Werk Physik den Begriff, beschrieb die Natur aber nicht im heutigen mathematischen Sinn.
Im Mittelalter bewahrten Kompendien antikes Wissen. Avicenna und Averroes waren für dessen Aufnahme im lateinischen Westen des 12. und 13. Jahrhunderts wichtig. Ibn al-Haithams Optik wurde unter anderem durch Witelo vermittelt. Ab dem 12. Jahrhundert gewann die empirische Erklärungssuche wieder an Bedeutung. Adelard von Bath berief sich neben überliefertem Wissen auf Beobachtung und experimentum. Robert Grosseteste und Roger Bacon betrachteten Licht beziehungsweise Strahlung als grundlegendes Erklärungsprinzip.
Im 14. Jahrhundert förderten technische und wirtschaftliche Entwicklungen die quantitative Naturbeschreibung. Johannes Buridans Impetustheorie war ein Vorläufer der späteren Trägheitstheorie. Die „Oxford Calculators“ versuchten, Naturvorgänge allgemein mathematisch zu erfassen. Nikolaus von Oresme hielt eine Erdrotation für ebenso erklärungskräftig wie die angenommene Sonnenrotation, erkannte die Relativität von Bewegungsangaben und führte ein Koordinatensystem zur quantitativen Darstellung qualitativer Veränderungen ein. Leonardo da Vinci untersuchte aus praktischen Interessen unter anderem Optik, Wasserbewegungen, Kraftübertragung und Vogelflug durch genaue Naturbeobachtung.
Entstehung der klassischen Physik
Das heliozentrische Weltbild des Nikolaus Kopernikus von 1543 leitete den Umbruch in der Astronomie ein. Johannes Kepler bestätigte es durch die Auswertung der Beobachtungen Tycho Brahes; Galileis Fernrohrbeobachtungen revolutionierten die beobachtende Astronomie. William Gilbert unterschied um 1600 durch Experimente Magnetismus und Elektrostatik und erkannte die Gestalt des Erdmagnetfeldes richtig.
Galilei zeigte, dass Bewegungen auf der Erde allgemeinen, mathematisch formulierbaren und experimentell überprüfbaren Gesetzen folgen. Zu seinen Ergebnissen gehörten das Gesetz des freien Falls, eine Form des Trägheitsgesetzes, die Wurfparabel und das Pendelgesetz. Forschungen von Torricelli, Pascal und Guericke behandelten Luftdruck und Vakuum; Robert Boyle untersuchte Gasgesetze. Christiaan Huygens baute Pendeluhren, bestimmte die Zentrifugalkraft und verwendete beim elastischen Stoß ein Relativitätsprinzip.
Isaac Newton formulierte 1687 in den Philosophiae Naturalis Principia Mathematica die Grundlagen der klassischen Mechanik. Seine Newtonschen Gesetze und das universelle Gravitationsgesetz erklärten die Keplerschen Gesetze und galten gleichermaßen für irdische und himmlische Körper. Eine Laborbestätigung und die Bestimmung der Gravitationskonstante gelangen Henry Cavendish erst mehr als 100 Jahre später. Newton und unabhängig von ihm Gottfried Wilhelm Leibniz entwickelten die Infinitesimalrechnung; Differentialgleichungen wurden danach zu einem grundlegenden Werkzeug zur Formulierung von Naturgesetzen.
Im 18. Jahrhundert erweiterten unter anderem Bernoulli, d’Alembert, Euler, Lagrange und Laplace die Mechanik, etwa durch Variationsprinzipien wie das Prinzip der kleinsten Wirkung. Elektrisiermaschinen und Leidener Flaschen ermöglichten Untersuchungen der Elektrizität; Coulomb formulierte gegen Ende des Jahrhunderts die Gesetze der Elektrostatik. Voltas Batterie lieferte um 1800 reproduzierbare quantitative Ergebnisse.
Thermodynamik, Felder und offene Fragen
Das 19. Jahrhundert wurde besonders durch Thermodynamik und Elektrodynamik geprägt. Sadi Carnot untersuchte 1824 Kreisprozesse idealisierter Wärmekraftmaschinen. Mayer, Joule, Clausius, Kelvin und Helmholtz entwickelten das Konzept der Energieerhaltung; Joule maß das Wärmeäquivalent der Arbeit. Clausius formulierte den Entropiebegriff und den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik. Maxwell, Gibbs und Boltzmann deuteten die Thermodynamik in der statistischen Mechanik mikroskopisch als Verhalten großer Teilchenensembles, die den Gesetzen der klassischen Mechanik folgen.
Fourier entwickelte aus Untersuchungen der Wärmeleitung die Fourieranalyse. Die Navier-Stokes-Gleichungen erweiterten die Eulergleichungen idealer Flüssigkeiten; Reynolds untersuchte Turbulenz. Weitere Fortschritte betrafen technische Mechanik, Elastizität und Akustik, darunter der Doppler-Effekt.
Ørsted zeigte den Zusammenhang zwischen elektrischem Strom und Magnetismus. Ampère und Faraday entwickelten diese Forschung weiter; Faraday führte Feldvorstellungen ein und entdeckte die elektromagnetische Induktion. Maxwell vereinigte elektrische und magnetische Erscheinungen in seinen Gleichungen und erklärte Licht als elektromagnetische Welle. Hertz wies elektromagnetische Wellen experimentell nach. Der angenommene Äther als Ausbreitungsmedium ließ sich jedoch auch im Michelson-Morley-Experiment nicht nachweisen und wurde später aufgegeben.
Obwohl die Physik gegen Ende des Jahrhunderts teilweise als fast abgeschlossen galt, blieben entscheidende Probleme ungelöst. Regelmäßigkeiten in Atomen und Spektren, der Zeemaneffekt sowie die Entdeckung von Elektron, Röntgenstrahlung, Photoeffekt und Radioaktivität passten nicht vollständig in das klassische Bild. Ungeklärt waren außerdem die Energiequelle der Sonne und die Strahlung des schwarzen Körpers. Untersuchungen bewegter Körper durch Lorentz und Poincaré deuteten bereits auf die Relativitätstheorie hin.
Relativität und Quantenphysik
Albert Einsteins spezielle Relativitätstheorie beruht auf der Gleichberechtigung aller Beobachter in Inertialsystemen und der Invarianz der Lichtgeschwindigkeit. Raum und Zeit sind danach nicht absolut, sondern vom Bezugssystem abhängig; die Lorentz-Transformation ersetzt die Galilei-Transformation. Die allgemeine Relativitätstheorie übertrug diese Gedanken auf Nicht-Inertialsysteme. Sie beschreibt Gravitationswirkungen und Trägheitskräfte als äquivalent, erklärt die Gleichheit schwerer und träger Masse und deutet Gravitation als Krümmung der Raumzeit. Lichtablenkung am Sonnenrand bestätigte die Theorie; kosmologische Modelle von Friedmann und Lemaître wurden durch Hubbles Entdeckung der Expansion des Universums gestützt.
Max Planck erklärte 1900 die Wärmestrahlung des schwarzen Körpers durch die Annahme, Materie nehme Strahlung nur in kleinen Portionen, den Quanten, auf oder gebe sie so ab. Einstein folgerte daraus den Teilchencharakter des Lichts und erklärte mit Photonen den Photoeffekt. Louis de Broglie übertrug den Welle-Teilchen-Dualismus auf Materie. Bohr und Sommerfeld entwickelten ein Atommodell mit quantisierten Energien, das Linienspektren erstmals plausibel erklärte.
Um 1925 entwickelten Heisenberg, Born, Jordan und Pauli die Matrizenmechanik. Nicht vertauschbare Operatoren repräsentieren darin Messgrößen wie Ort und Impuls; Heisenbergs Unschärferelation besagt, dass solche Größen nicht gleichzeitig exakt bestimmt sind. Schrödinger formulierte die Wellenmechanik: Seine partielle Differential- und Eigenwertgleichung liefert als Eigenwerte des Hamilton-Operators die Energien möglicher Zustände. Matrizen- und Wellenmechanik erwiesen sich als zwei Formen derselben Quantenmechanik.
Born deutete die Wellenfunktion statistisch; Bohr und Heisenberg bauten dies 1928 zur Kopenhagener Deutung aus. Damit gab die Quantenphysik den strengen Determinismus der klassischen Physik auf. Einstein lehnte diese Interpretation ab. Experimente wie Franck-Hertz-, Millikan-, Stern-Gerlach- und Davisson-Germer-Versuch sowie der Compton-Effekt bestätigten Quantisierung, Spin und Materiewellen. Bosonen besitzen ganzzahligen Spin und folgen der Bose-Einstein-Statistik; Fermionen besitzen halbzahligen Spin und folgen der Fermi-Dirac-Statistik. Relativistische Quantengleichungen führten außerdem zur Vorhersage von Antiteilchen, die Carl D. Anderson bestätigte.
Kern-, Teilchen- und Gegenwartsphysik
In den 1930er Jahren ermöglichten Teilchenbeschleuniger wie Lawrences Zyklotron Fortschritte der Kernphysik. Chadwicks Neutron wurde für das Verständnis der Atomkerne entscheidend; sein Zerfall führte zur schwachen Wechselwirkung, der vierten fundamentalen Wechselwirkung neben Gravitation, Elektromagnetismus und starker Wechselwirkung. Eine vollständig befriedigende geschlossene Theorie des Atomkerns gibt es bis heute nicht. Hahn entdeckte Ende der 1930er Jahre die Kernspaltung, die Meitner theoretisch deutete. Fermi erreichte 1942 die erste kontrollierte Kettenreaktion. Das Manhattan-Projekt entwickelte unter Oppenheimers wissenschaftlicher Leitung Atombomben und markierte zusammen mit der Radarforschung den Beginn staatlich geförderter „Big Science“.
Nach 1933 verlor Deutschland durch nationalsozialistische Verfolgung und die ideologische „Deutsche Physik“ seine führende Stellung; zahlreiche Forschende emigrierten. Nach dem Zweiten Weltkrieg übernahmen die USA die Führungsrolle. Feynman, Schwinger, Dyson und andere schufen konsistente Quantenfeldtheorien, insbesondere die Quantenelektrodynamik. Maser, Laser und Kernspinresonanz entstanden aus neuen experimentellen Verfahren. Festkörperphysik ermöglichte Halbleiter und Transistoren und erklärte makroskopische Quantenphänomene wie Supraleitung und Suprafluidität. Die Renormierungsgruppe Kenneth Wilsons wurde für Phasenübergänge, Elementarteilchenphysik und Quantenfeldtheorie wichtig.
Aus der Ordnung des entdeckten „Teilchenzoos“ entstand bis Ende der 1970er Jahre das Standardmodell. Eichtheorien, besonders Yang-Mills-Theorien, beschreiben darin Wechselwirkungen durch Symmetrien. Gell-Manns Quarks bilden Mesonen und Baryonen. Die Quantenchromodynamik beschreibt die starke Wechselwirkung; Weinberg, Salam und Glashow vereinigten elektromagnetische und schwache Wechselwirkung. Beschleunigerexperimente bestätigten das Modell bis zur Entdeckung des Top-Quarks in den 1990er Jahren und des Higgs-Teilchens Anfang der 2010er Jahre. Die Stringtheorie versucht durch fadenförmige statt punktförmige Grundobjekte unter anderem Gravitation und Quantentheorie zu vereinigen, ist wegen des großen Abstands zwischen Planck-Skala und experimentell erreichbaren Dimensionen aber schwer überprüfbar.
Computer und miniaturisierte Elektronik revolutionierten Experimente und theoretische Modelle. Neue Felder entstanden, darunter Chaostheorie, mesoskopische Physik und Quanteninformationstheorie. Kosmologie und Astrophysik wurden durch Beobachtungen von Quasaren, Neutronensternen, Pulsaren und Schwarzen Löchern sowie durch die 3-K-Hintergrundstrahlung zu quantitativen Wissenschaften. Astroteilchenphysik verband Elementarteilchenphysik und Kosmologie. Das inflationäre Modell wurde ein wichtiger Baustein; Dunkle Materie und die beschleunigte Expansion des Universums blieben am Ende des 20. Jahrhunderts grundlegende ungelöste Probleme.
