von Torsten Schwanke
Alte Geschichte
Elemente dessen, was zur Physik wurde, stammten hauptsächlich aus den Bereichen Astronomie, Optik und Mechanik, die durch das Studium der Geometrie methodisch vereint wurden. Diese mathematischen Disziplinen begannen in der Antike mit den Babyloniern und mit hellenistischen Schriftstellern wie Archimedes und Ptolemäus. Die antike Philosophie umfasste inzwischen das, was man „Physik“ nannte.
Griechisches Konzept
Der Trend zu einem rationalen Verständnis der Natur begann spätestens seit der archaischen Zeit in Griechenland (650–480 v. Chr.) mit den vorsokratischen Philosophen. Der Philosoph Thales von Milet (7. und 6. Jahrhundert v. Chr.), der als „Vater der Wissenschaft“ bezeichnet wurde, weil er sich weigerte, verschiedene übernatürliche, religiöse oder mythologische Erklärungen für Naturphänomene zu akzeptieren, verkündete, dass jedes Ereignis eine natürliche Ursache habe. Thales machte im Jahr 580 v. Chr. Fortschritte, indem er darauf hinwies, dass Wasser das Grundelement sei, indem er mit der Anziehung zwischen Magneten und geriebenem Bernstein experimentierte und die erste Aufzeichnung von Kosmologie formulierte. Anaximander, berühmt für seine protoevolutionäre Theorie, bestritt die Ideen von Thales und schlug vor, dass anstelle von Wasser eine Substanz namens Apeiron der Baustein aller Materie sei. Um 500 v. Chr. schlug Heraklit vor, dass das einzige Grundgesetz, das das Universum regiert, das Prinzip der Veränderung sei und dass nichts auf unbestimmte Zeit im gleichen Zustand bleibe. Zusammen mit seinen Zeitgenossen gehörte Parmenides zu den ersten Gelehrten der antiken Physik, die sich mit der Rolle der Zeit im Universum beschäftigten, einem Schlüsselkonzept, das in der modernen Physik immer noch ein Thema ist.
Während der klassischen Periode in Griechenland (6., 5. und 4. Jahrhundert v. Chr.) und in hellenistischer Zeit entwickelte sich die Naturphilosophie langsam zu einem spannenden und umstrittenen Studiengebiet. Aristoteles (384 – 322 v. Chr.), ein Schüler Platons, vertrat die Auffassung, dass die Beobachtung physikalischer Phänomene letztendlich zur Entdeckung der ihnen zugrunde liegenden Naturgesetze führen könnte. Die Schriften des Aristoteles umfassen Physik, Metaphysik, Poesie, Theater und Musik, Logik, Rhetorik, Linguistik, Politik, Regierung, Ethik, Biologie und Zoologie. Er schrieb das erste Werk, das sich auf diese Studienrichtung als „Physik“ bezieht – im 4. Jahrhundert v. Chr. gründete Aristoteles das als Aristotelische Physik bekannte System. Er versuchte, Ideen wie Bewegung (und Schwerkraft) mit der Theorie der vier Elemente zu erklären. Aristoteles glaubte, dass alle Materie aus Äther oder einer Kombination aus vier Elementen bestehe: Erde, Wasser, Luft und Feuer. Laut Aristoteles sind diese vier Elemente zur gegenseitigen Transformation fähig und bewegen sich zu ihrem natürlichen Platz, so dass ein Stein nach unten in Richtung der Mitte des Kosmos fällt, Flammen jedoch nach oben in Richtung der Peripherie aufsteigen. Schließlich erfreute sich die aristotelische Physik über viele Jahrhunderte hinweg in Europa großer Beliebtheit und prägte die wissenschaftlichen und schulischen Entwicklungen des Mittelalters. Sie blieb bis zur Zeit von Galileo Galilei und Isaac Newton das gängige wissenschaftliche Paradigma in Europa.
Zu Beginn des klassischen Griechenlands war das Wissen verbreitet, dass die Erde kugelförmig („rund“) ist. Um 240 v. Chr. schätzte Eratosthenes (276–194 v. Chr.) als Ergebnis eines bahnbrechenden Experiments ihren Umfang genau. Im Gegensatz zu den geozentrischen Ansichten des Aristoteles präsentierte Aristarchos von Samos (ca. 310 – ca. 230 v. Chr.) ein explizites Argument für ein heliozentrisches Modell des Sonnensystems, d. h. für die Platzierung der Sonne und nicht der Erde in seinem Zentrum. Seleukus von Seleukia, ein Anhänger der heliozentrischen Theorie des Aristarchos, gab an, die Erde drehe sich um ihre eigene Achse, die sich wiederum um die Sonne drehte. Obwohl die von ihm verwendeten Argumente verloren gingen, erklärte Plutarch, dass Seleukus der erste war, der das heliozentrische System durch Argumentation bewies.
Im 3. Jahrhundert v. Chr. legte der griechische Mathematiker Archimedes von Syrakus (287–212 v. Chr.) – der allgemein als der größte Mathematiker der Antike und einer der größten aller Zeiten gilt – die Grundlagen der Hydrostatik, Statik und Berechnung die zugrunde liegende Mathematik des Hebels. Archimedes, ein führender Wissenschaftler der klassischen Antike, entwickelte auch ausgeklügelte Flaschenzugsysteme, um große Objekte mit minimalem Kraftaufwand zu bewegen. Die Schraube des Archimedes bildet die Grundlage für den modernen Wasserbau, und seine Kriegsmaschinen trugen dazu bei, die Armeen von Rom fernzuhalten im Ersten Punischen Krieg. Archimedes zerlegte sogar die Argumente von Aristoteles und seiner Metaphysik, indem er darauf hinwies, dass es unmöglich sei, Mathematik und Natur zu trennen, und bewies dies, indem er mathematische Theorien in praktische Erfindungen umwandelte. Darüber hinaus entwickelte Archimedes in seinem Werk Über schwimmende Körper um 250 v. Chr. das Gesetz des Auftriebs, auch bekannt als Archimedes-Prinzip. In der Mathematik verwendete Archimedes die Methode der Erschöpfung, um die Fläche unter dem Bogen einer Parabel durch Summierung einer unendlichen Reihe zu berechnen, und lieferte eine bemerkenswert genaue Näherung für pi. Er definierte auch die nach ihm benannte Spirale und Formeln für die Berechnung von Rotationsflächen und ein ausgeklügeltes System zur Darstellung sehr großer Zahlen. Er entwickelte auch die Prinzipien von Gleichgewichtszuständen und Schwerpunkten, Ideen, die die bekannten Gelehrten Galileo und Newton beeinflussten.
Hipparchos (190–120 v. Chr.), der sich auf Astronomie und Mathematik konzentrierte, verwendete ausgefeilte geometrische Techniken, um die Bewegung der Sterne und Planeten zu kartieren und sogar die Zeiten vorherzusagen, zu denen Sonnenfinsternisse stattfinden würden. Er fügte Berechnungen der Entfernung von Sonne und Mond von der Erde hinzu, basierend auf seinen Verbesserungen der damals verwendeten Beobachtungsinstrumente. Ein weiterer berühmter früher Physiker war Ptolemaios (90–168 n. Chr.), einer der führenden Köpfe zur Zeit des Römischen Reiches. Ptolemaios war Autor mehrerer wissenschaftlicher Abhandlungen, von denen mindestens drei für die spätere arabische und europäische Wissenschaft von bleibender Bedeutung waren. Das erste ist die astronomische Abhandlung, die heute als Almagest bekannt ist. Der zweite Teil ist die Geographie, die eine ausführliche Diskussion der geografischen Kenntnisse der griechisch-römischen Welt darstellt.
Ein Großteil des gesammelten Wissens der Antike ging verloren. Selbst von den Werken bekannterer Denker sind nur wenige Fragmente erhalten. Obwohl er mindestens vierzehn Bücher schrieb, ist von Hipparchos' direktem Werk fast nichts erhalten geblieben. Von den 150 angeblichen aristotelischen Werken existieren nur 30, und einige davon sind kaum mehr als Vorlesungsnotizen.
Indien und China
Auch in den alten chinesischen und indischen Wissenschaften gab es wichtige physikalische und mathematische Traditionen.
Sternkarten des chinesischen Universalgelehrten Su Song aus dem 11. Jahrhundert sind die ältesten bekannten Holzschnitt- Sternkarten, die bis heute erhalten sind. Dieses Beispiel aus dem Jahr 1092 verwendet eine zylindrische Projektion.
In der indischen Philosophie war Maharishi Kanada der erste, der um 200 v. Chr. systematisch eine Theorie des Atomismus entwickelte, obwohl einige Autoren ihm eine frühere Ära im 6. Jahrhundert v. Chr. zuordnen. Es wurde im 1. Jahrtausend n. Chr. von den buddhistischen Atomisten Dharmakirti und Dignāga weiter ausgearbeitet. Pakudha Kaccayana, ein indischer Philosoph aus dem 6. Jahrhundert v. Chr. und Zeitgenosse von Gautama Buddha, hatte auch Ideen über die atomare Beschaffenheit der materiellen Welt vertreten. Diese Philosophen glaubten, dass andere Elemente (außer Äther) physisch greifbar seien und daher aus winzigen Materieteilchen bestehe. Das letzte kleinste Materieteilchen, das nicht weiter unterteilt werden konnte, wurde Parmanu genannt. Diese Philosophen hielten das Atom für unzerstörbar und daher ewig. Die Buddhisten dachten, Atome seien winzige, mit bloßem Auge nicht erkennbare Objekte, die in einem Augenblick entstehen und wieder verschwinden. Die Vaisheshika-Philosophen glaubten, dass ein Atom lediglich ein Punkt im Raum sei. Es war auch das erste Mal, dass die Zusammenhänge zwischen Bewegung und ausgeübter Kraft dargestellt wurden. Indische Theorien über das Atom sind sehr abstrakt und in die Philosophie verstrickt, da sie auf Logik und nicht auf persönlicher Erfahrung oder Experimenten beruhten. In der indischen Astronomie schlug Aryabhatas Aryabhatiya (499 n. Chr.) die Erdrotation vor, während Nilakantha Somayaji (1444–1544 ) von der Schule für Astronomie und Mathematik in Kerala ein halb heliozentrisches Modell vorschlug, das dem tychonischen System ähnelte.
Die Erforschung des Magnetismus im alten China reicht bis ins 4. Jahrhundert v. Chr. zurück. Ein Hauptautor auf diesem Gebiet war Shen Kuo (1031–1095), ein Universalgelehrter und Staatsmann, der auch als erster den für die Navigation verwendeten Magnetnadelkompass beschrieb als Begründung des Konzepts des wahren Nordens. Im Bereich der Optik entwickelte Shen Kuo unabhängig eine Camera obscura.
Islamische Welt
Im 7. bis 15. Jahrhundert kam es in der muslimischen Welt zu wissenschaftlichen Fortschritten. Viele klassische Werke in indischer, assyrischer, sassanidischer (persischer) und griechischer Sprache, darunter auch die Werke des Aristoteles, wurden ins Arabische übersetzt. Wichtige Beiträge wurden von Ibn al-Haytham (965–1040) geleistet, einem arabischen Wissenschaftler, der als Begründer der modernen Optik gilt. Ptolemaios und Aristoteles stellten die Theorie auf, dass Licht entweder vom Auge ausstrahle, um Objekte zu beleuchten, oder dass „Formen“ von Objekten selbst ausgehen, während al-Haytham (bekannt unter dem lateinischen Namen „Alhazen“) vermutete, dass Licht in Strahlen von verschiedenen Punkten auf einem Objekt zum Auge gelangt. Die Werke von Ibn al-Haytham und al-Biruni (973–1050), einem persischen Wissenschaftler, gelangten schließlich nach Westeuropa, wo sie von Gelehrten wie Roger Bacon und Vitello untersucht wurden.
Ibn al-Haytham verwendete kontrollierte Experimente in seiner Arbeit zur Optik, obwohl es umstritten ist, inwieweit sie sich von Ptolemäus unterschied. Arabische Mechaniker wie Bīrūnī und Al-Khazini entwickelten eine anspruchsvolle „Wissenschaft des Gewichts“ und führten Messungen spezifischer Gewichte und Volumina durch.
Ibn Sīnā (980–1037), bekannt als „Avicenna“, war ein Universalgelehrter aus Buchara (im heutigen Usbekistan), der wichtige Beiträge zur Physik, Optik, Philosophie und Medizin leistete. Er veröffentlichte seine Bewegungstheorie im Buch der Heilung (1020), in dem er argumentierte, dass einem Projektil durch den Werfer ein Impuls verliehen wird, und glaubte, dass es sich um eine vorübergehende Kraft handele, die selbst im Vakuum nachlassen würde. Er betrachtete es als hartnäckig und es erfordere äußere Kräfte wie den Luftwiderstand, um es aufzulösen. Ibn Sina unterschied zwischen „Kraft“ und „Neigung“ („Mayl“ genannt) und argumentierte, dass ein Objekt Mayl erlangt, wenn das Objekt im Gegensatz zu seiner natürlichen Bewegung steht. Er kam zu dem Schluss, dass die Fortsetzung der Bewegung auf die Neigung zurückzuführen ist, die auf das Objekt übertragen wird, und dass das Objekt in Bewegung bleibt, bis die Mayl verbraucht ist. Er behauptete auch, dass Projektile im Vakuum nicht stoppen würden, wenn nicht darauf reagiert werde. Diese Bewegungsauffassung steht im Einklang mit Newtons erstem Bewegungsgesetz, dem Trägheitsgesetz, das besagt, dass ein bewegtes Objekt in Bewegung bleibt, sofern nicht eine äußere Kraft auf es einwirkt, Newton wurde von Ibn Sinas Buch der Heilung beeinflusst.
Hibat Allah Abu'l-Barakat al-Baghdaadi (ca. 1080–1165) übernahm und modifizierte Ibn Sinas Theorie zur Projektilbewegung. In seinem Kitab al-Mu'tabar stellte Abu'l-Barakat fest, dass der Beweger dem Bewegten eine heftige Neigung (Mayl Qasri) verleiht und dass diese abnimmt, wenn sich das sich bewegende Objekt vom Beweger entfernt. Er schlug auch eine Erklärung der Beschleunigung fallender Körper durch die Anhäufung aufeinanderfolgender Kraftzuwächse mit aufeinanderfolgenden Geschwindigkeitszuwächsen vor. Laut Shlomo Pines war al-Baghdaadis Bewegungstheorie „die älteste Negation des fundamentalen dynamischen Gesetzes des Aristoteles (nämlich, dass eine konstante Kraft eine gleichmäßige Bewegung erzeugt), (und ist somit eine) vage Vorwegnahme des fundamentalen Gesetzes der klassischen Mechanik (nämlich, dass eine ausgeübte Kraft kontinuierlich eine Beschleunigung erzeugt).“ Jean Buridan und Albert von Sachsen bezogen sich später auf Abu'l-Barakat, als sie erklärten, dass die Beschleunigung eines fallenden Körpers ein Ergebnis seiner zunehmenden Kraft sei.
Ibn Bajjah (ca. 1085–1138), in Europa als „Avempace“ bekannt, schlug vor, dass es für jede Kraft immer eine Reaktionskraft gibt. Ibn Bajjah war ein Kritiker von Ptolemäus und arbeitete an der Entwicklung einer neuen Geschwindigkeitstheorie, die die von Aristoteles theoretisierte Theorie ersetzen sollte. Zwei zukünftige Philosophen unterstützten die von Avempace aufgestellten Theorien, die als Avempace-Dynamik bekannt sind. Diese Philosophen waren Thomas von Aquin, ein katholischer Heiliger, und John Duns Scotus, auch ein katholischer Heiliger. Galileo übernahm dann die Formel von Avempace, „dass die Geschwindigkeit eines bestimmten Objekts die Differenz der Antriebskraft dieses Objekts und des Widerstands des Bewegungsmediums ist“.
Nasir al-Din al-Tusi (1201–1274), ein persischer Astronom und Mathematiker, der in Bagdad starb, stellte Tusi vor. Kopernikus stützte sich später stark auf die Arbeit von al-Din al-Tusi und seinen Schülern, jedoch ohne diese anzuerkennen.
Mittelalterliches Europa
Durch Übersetzungen aus dem Arabischen ins Lateinische gelangte das Bewusstsein für antike Werke wieder in den Westen. Ihre Wiedereinführung, kombiniert mit jüdisch-islamischen theologischen Kommentaren, hatte großen Einfluss auf mittelalterliche Philosophen wie Thomas von Aquin. Scholastische europäische Gelehrte, die versuchten, die Philosophie der antiken klassischen Philosophen mit der christlichen Theologie in Einklang zu bringen, erklärten Aristoteles zum größten Denker der Antike. In den Fällen, in denen sie nicht direkt im Widerspruch zur Bibel standen, wurde die aristotelische Physik zur Grundlage für die physikalischen Erklärungen der europäischen Kirche. Die Quantifizierung wurde zu einem Kernelement der mittelalterlichen Physik.
Basierend auf der aristotelischen Physik beschrieb die scholastische Physik die Dinge als sich bewegend entsprechend ihrer wesentlichen Natur. Himmelsobjekte wurden als Kreisbewegungen beschrieben, da eine perfekte Kreisbewegung als eine angeborene Eigenschaft von Objekten angesehen wurde, die im unverfälschten Bereich der Himmelssphären existierten. Die Impulstheorie, der Vorläufer der Konzepte von Trägheit und Impuls, wurde in ähnlicher Weise von mittelalterlichen Philosophen wie Johannes Philoponus und Jean Buridan entwickelt. Bewegungen unterhalb der Mondsphäre wurden als unvollkommen angesehen, und es war daher nicht zu erwarten, dass sie eine gleichmäßige Bewegung zeigten. Eine stärker idealisierte Bewegung im „sublunaren“ Bereich konnte nur durch Kunstgriffe erreicht werden, und vor dem 17. Jahrhundert betrachteten viele künstliche Experimente nicht als gültiges Mittel, um etwas über die natürliche Welt zu lernen. Physikalische Erklärungen im sublunaren Bereich drehten sich um Tendenzen. Steine enthielten das Element Erde, und irdische Objekte tendierten dazu, sich geradlinig zum Mittelpunkt der Erde (und zum Universum in der aristotelischen geozentrischen Sichtweise) zu bewegen, sofern sie nicht anderweitig daran gehindert wurden.
Wissenschaftliche Revolution
Im 16. und 17. Jahrhundert kam es in Europa zu einem großen wissenschaftlichen Fortschritt, der als wissenschaftliche Revolution bekannt ist. Die Unzufriedenheit mit älteren philosophischen Ansätzen hatte schon früher begonnen und zu anderen Veränderungen in der Gesellschaft geführt, etwa zur protestantischen Reformation. Die Revolution in der Wissenschaft begann jedoch, als Naturphilosophen begannen, das scholastische philosophische Programm nachhaltig anzugreifen und davon auszugehen, dass mathematische Beschreibungsschemata übernommen würden, Bereiche wie Mechanik und Astronomie könnten tatsächlich universell gültige Charakterisierungen von Bewegung und anderen Konzepten liefern.
Ein Durchbruch in der Astronomie gelang dem polnischen Astronomen Nikolaus Kopernikus (1473–1543), als er 1543 starke Argumente für das heliozentrische Modell des Sonnensystems vorbrachte, angeblich als Mittel, Tabellen zur Darstellung der Planetenbewegung genauer zu machen und ihre Darstellung zu vereinfachen. In heliozentrischen Modellen des Sonnensystems umkreist die Erde die Sonne zusammen mit anderen Körpern in der Erdgalaxie, ein Widerspruch zur Ansicht des griechisch-ägyptischen Astronomen Ptolemäus (2. Jahrhundert n. Chr.), dessen System die Erde in den Mittelpunkt stellte des Universums und wurde seit über 1.400 Jahren akzeptiert. Der griechische Astronom Aristarchos von Samos (ca. 310 – ca. 230 v. Chr.) hatte vorgeschlagen, dass sich die Erde um die Sonne dreht, aber die Argumentation von Kopernikus führte zu einer dauerhaften allgemeinen Akzeptanz dieser „revolutionären“ Idee. Kopernikus' Buch, in dem er die Theorie darlegte (De revolutionibus orbium coelestium, Über die Umdrehungen der Himmelssphären), wurde kurz vor seinem Tod im Jahr 1543 veröffentlicht und wird, da es heute allgemein als Beginn der modernen Astronomie angesehen wird, auch als Beginn der wissenschaftlichen Revolution angesehen. Die neue Perspektive von Kopernikus und die genauen Beobachtungen von Tycho Brahe ermöglichten es dem deutschen Astronomen Johannes Kepler (1571–1630), seine Gesetze zur Planetenbewegung zu formulieren, die bis heute in Gebrauch sind.
Der italienische Mathematiker, Astronom und Physiker Galileo Galilei (1564–1642) war berühmt für seine Unterstützung des Kopernikanismus, seine astronomischen Entdeckungen, empirischen Experimente und seine Verbesserung des Teleskops. Als Mathematiker war Galileis Rolle in der Universitätskultur seiner Zeit den drei Hauptfächern des Studiums untergeordnet: Recht, Medizin und Theologie (die eng mit der Philosophie verbunden war). Galilei war jedoch der Ansicht, dass der beschreibende Inhalt der technischen Disziplinen philosophisches Interesse rechtfertigte, insbesondere wegen der mathematischen Analyse astronomischer Beobachtungen – insbesondere der Analyse der Relativbewegungen der Sonne durch Kopernikus, der Erde, des Mondes und der Planeten – deutete darauf hin, dass sich die Aussagen der Philosophen über die Natur des Universums als falsch erweisen könnten. Galilei führte auch mechanische Experimente durch und bestand darauf, dass die Bewegung selbst – unabhängig davon, ob sie „natürlich“ oder „künstlich“ (also absichtlich) erzeugt wurde – universell konsistente Eigenschaften hatte, die mathematisch beschrieben werden konnten.
Galileis erste Studien an der Universität von Pisa galten der Medizin, doch schon bald zog es ihn in die Mathematik und Physik. Mit 19 Jahren entdeckte (und verifizierte ) er die isochrone Natur des Pendels, als er mithilfe seines Pulses die Schwingungen einer schwingenden Lampe in der Kathedrale von Pisa zeitlich maß und feststellte, dass diese bei jedem Schwung unabhängig von der Schwingungsamplitude gleich blieben. Bekannt wurde er bald durch die Erfindung einer hydrostatischen Waage und durch seine Abhandlung über den Schwerpunkt von festen Körpern. Während seiner Lehrtätigkeit an der Universität von Pisa (1589–92) begann er mit seinen Experimenten zu den Gesetzen bewegter Körper, die zu Ergebnissen führten, die den anerkannten Lehren des Aristoteles so widersprachen, dass heftiger Widerspruch geweckt wurde. Er fand heraus, dass Körper nicht mit einer Geschwindigkeit fallen, die proportional zu ihrem Gewicht ist. Die berühmte Geschichte, in der Galileo Gewichte vom Schiefen Turm von Pisa fallen lassen soll, ist apokryph, aber er fand heraus, dass die Bahn eines Projektils eine Parabel ist, und ihm werden Schlussfolgerungen zugeschrieben, die Newtons Bewegungsgesetze vorwegnahmen (z. B. die Vorstellung von Trägheit). Darunter ist das, was jetzt genannt wird Galileische Relativitätstheorie, die erste präzise formulierte Aussage über Eigenschaften von Raum und Zeit außerhalb der dreidimensionalen Geometrie.
Galileo wurde als „Vater der modernen beobachtenden Astronomie“, als „Vater der modernen Physik“, als „Vater der Wissenschaft“ und als „Vater der modernen Wissenschaft“ bezeichnet. Laut Stephen Hawking war „Galileo, vielleicht mehr als jeder andere einzelne Mensch, für die Geburt der modernen Wissenschaft verantwortlich.“ Als die religiöse Orthodoxie ein geozentrisches oder tychonisches Verständnis des Sonnensystems verordnete, löste Galileos Unterstützung des Heliozentrismus Kontroversen aus und er wurde von der Inquisition vor Gericht gestellt. Er wurde als „vehement der Häresie verdächtigt“ befunden, musste widerrufen und verbrachte den Rest seines Lebens unter Hausarrest.
Zu den Beiträgen, die Galileo zur beobachtenden Astronomie leistete, gehört die teleskopische Bestätigung der Phasen der Venus; seine Entdeckung der vier größten Jupitermonde im Jahr 1609 (später mit dem Sammelnamen „Galiläische Monde“ bezeichnet); und die Beobachtung und Analyse von Sonnenflecken. Galileo verfolgte auch angewandte Wissenschaft und Technologie und erfand unter anderem einen militärischen Kompass. Seine Entdeckung der Jupitermonde wurde 1610 veröffentlicht und ermöglichte ihm die Position eines Mathematikers und Philosophen am Medici-Hof. Als solcher wurde von ihm erwartet, dass er sich an Debatten mit Philosophen der aristotelischen Tradition beteiligte, und er erhielt ein großes Publikum für seine eigenen Veröffentlichungen wie die Diskurse und mathematischen Demonstrationen über zwei neue Wissenschaften (die nach seiner Verhaftung wegen der Veröffentlichung von „Dialog über die beiden Hauptweltsysteme“ im Ausland veröffentlicht wurden). Galileos Interesse am Experimentieren mit und der Formulierung mathematischer Beschreibungen von Bewegungen etablierte das Experimentieren als integralen Bestandteil der Naturphilosophie. Diese Tradition, kombiniert mit der nicht-mathematischen Betonung der Sammlung „experimenteller Geschichten“ durch philosophische Reformisten wie William Gilbert und Francis Bacon zog in den Jahren vor und nach Galileis Tod eine bedeutende Anhängerschaft an, darunter Evangelista Torricelli und die Teilnehmer der Accademia del Cimento in Italien; Marin Mersenne und Blaise Pascal in Frankreich; Christiaan Huygens in den Niederlanden; und Robert Hooke und Robert Boyle in England.
Der französische Philosoph René Descartes (1596–1650) hatte gute Verbindungen zu den Netzwerken der experimentellen Philosophie seiner Zeit und hatte großen Einfluss auf diese. Descartes hatte jedoch eine ehrgeizigere Agenda, die darauf abzielte, die scholastische philosophische Tradition vollständig zu ersetzen. Descartes stellte die durch die Sinne interpretierte Realität in Frage und versuchte, philosophische Erklärungsschemata wiederherzustellen, indem er alle wahrgenommenen Phänomene auf die Bewegung eines unsichtbaren Meeres von „Körperchen“ reduzierte. (Insbesondere reservierte er das menschliche Denken und ließ Gott von seinem Plan abweichen und diese als vom physischen Universum getrennt betrachten). Als Descartes diesen philosophischen Rahmen vorschlug, ging er davon aus, dass verschiedene Arten der Bewegung, etwa die von Planeten und die von terrestrischen Objekten, sich nicht grundlegend unterscheiden, sondern lediglich unterschiedliche Manifestationen einer endlosen Kette von Korpuskularbewegungen sind, die universellen Prinzipien gehorchen. Besonders einflussreich waren seine Erklärungen für kreisförmige astronomische Bewegungen anhand der Wirbelbewegung von Teilchen im Raum (Descartes argumentierte in Übereinstimmung mit den Überzeugungen, wenn nicht sogar mit den Methoden der Scholastiker, dass es kein Vakuum geben könne) und seine Erklärung von Schwerkraft in Form von Teilchen, die Objekte nach unten drücken.
Descartes war wie Galileo von der Bedeutung der mathematischen Erklärung überzeugt, und er und seine Anhänger waren Schlüsselfiguren in der Entwicklung der Mathematik und Geometrie im 17. Jahrhundert. In kartesischen mathematischen Bewegungsbeschreibungen wurde davon ausgegangen, dass alle mathematischen Formulierungen im Hinblick auf eine direkte physikalische Wirkung gerechtfertigt sein müssten, eine Position, die Huygens und der deutsche Philosoph Gottfried Leibniz vertraten, der, während er der kartesischen Tradition folgte, seine eigene philosophische Alternative zur Scholastik entwickelte. die er 1714 in seinem Werk „Die Monadologie“ darlegte. Descartes wurde als „Vater der modernen Philosophie“ und vieler späterer westlicher Philosophien bezeichnet, das ist eine Antwort auf seine Schriften, die bis heute intensiv studiert werden. Insbesondere seine „Meditationen über die Erste Philosophie“ sind nach wie vor ein Standardwerk an den meisten philosophischen Fakultäten der Universitäten. Der Einfluss von Descartes auf die Mathematik ist ebenso offensichtlich; Das kartesische Koordinatensystem, das die Darstellung algebraischer Gleichungen als geometrische Formen in einem zweidimensionalen Koordinatensystem ermöglicht, wurde nach ihm benannt. Er gilt als Vater der analytischen Geometrie, der Brücke zwischen Algebra und Geometrie, die für die Entdeckung der Infinitesimalrechnung und Analysis wichtig ist.
Der niederländische Physiker, Mathematiker, Astronom und Erfinder Christiaan Huygens (1629–1695) war der führende Wissenschaftler Europas zwischen Galileo und Newton. Huygens stammte aus einer Adelsfamilie, die in der niederländischen Gesellschaft des 17. Jahrhunderts eine wichtige Stellung innehatte; eine Zeit, in der die niederländische Republik wirtschaftlich und kulturell florierte. Diese Periode – ungefähr zwischen 1588 und 1702 – in der Geschichte der Niederlande wird auch als das Goldene Zeitalter der Niederlande bezeichnet, eine Ära während der wissenschaftlichen Revolution, als die niederländische Wissenschaft zu den angesehensten in Europa zählte. Zu dieser Zeit lebten Intellektuelle und Wissenschaftler wie René Descartes, Baruch Spinoza, Pierre Bayle, Antonie van Leeuwenhoek, John Locke und Hugo Grotius in den Niederlanden. In diesem intellektuellen Umfeld wuchs Christiaan Huygens auf. Christiaans Vater, Constantijn Huygens, war neben einem bedeutenden Dichter auch der Sekretär und Diplomat der Prinzen von Oranien. Aufgrund seiner Kontakte und intellektuellen Interessen kannte er viele Wissenschaftler seiner Zeit, darunter René Descartes und Marin Mersenne, und durch diese Kontakte wurde Christiaan Huygens auf ihre Arbeit aufmerksam. Besonders Descartes, dessen mechanistische Philosophie einen großen Einfluss auf Huygens‘ eigenes Werk haben sollte. Descartes war später beeindruckt von den Fähigkeiten Christiaan Huygens in der Geometrie, ebenso wie Mersenne, der ihn „den neuen Archimedes“ taufte (was Constantijn dazu veranlasste, seinen Sohn als „mein kleiner Archimedes“ zu bezeichnen).
Huygens, ein Wunderkind, begann seinen Briefwechsel mit Marin Mersenne im Alter von 17 Jahren. Huygens begann sich für Glücksspiele zu interessieren, als er auf die Werke von Fermat, Blaise Pascal und Girard Desargues stieß. Es war Blaise Pascal, der ihn ermutigte, „Van Rekeningh in Spelen van Gluck“ zu schreiben, das Frans van Schooten übersetzte und als De Ratiociniis in Ludo Aleae veröffentlichte im Jahr 1657. Das Buch ist die früheste bekannte wissenschaftliche Behandlung des Themas und zu dieser Zeit die kohärenteste Darstellung eines mathematischen Ansatzes für Glücksspiele. Zwei Jahre später leitete Huygens in seinem Werk De vi Centrifuga (1659) die heute in der klassischen Mechanik üblichen Formeln für die Zentripetal- und Zentrifugalkraft geometrisch ab. Etwa zur gleichen Zeit führten Huygens‘ uhrmacherische Forschungen zur Erfindung der Pendeluhr; ein Durchbruch in der Zeitmessung und der genaueste Zeitmesser seit fast 300 Jahren. Die theoretische Erforschung der Funktionsweise des Pendels führte schließlich zur Veröffentlichung einer seiner wichtigsten Errungenschaften: dem Horologium Oscillatorium. Dieses Werk wurde 1673 veröffentlicht und wurde zu einem der drei wichtigsten Werke des 17. Jahrhunderts über Mechanik (die anderen beiden sind Galileos Diskurse und mathematische Demonstrationen in Bezug auf zwei neue Wissenschaften und Newtons Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica). Das Horologium Oscillatorium ist die erste moderne Abhandlung, in der ein physikalisches Problem (die beschleunigte Bewegung eines fallenden Körpers) durch eine Reihe von Parametern idealisiert und dann mathematisch analysiert wird, und stellt eines der wegweisenden Werke der angewandten Mathematik dar. Aus diesem Grund wird Huygens als der erste theoretische Physiker und einer der Begründer der modernen mathematischen Physik bezeichnet. Huygens‘ Horologium Oscillatorium hatte einen enormen Einfluss auf die Geschichte der Physik, insbesondere auf die Arbeit von Isaac Newton, der die Arbeit sehr bewunderte. Beispielsweise sind die Gesetze, die Huygens im Horologium Oscillatorium beschreibt, strukturell mit den ersten beiden Bewegungsgesetzen Newtons identisch.
Fünf Jahre nach der Veröffentlichung seines Horologium Oscillatorium beschrieb Huygens seine Wellentheorie des Lichts. Obwohl sie 1678 vorgeschlagen wurde, wurde sie erst 1690 in seinem Traité de la Lumière veröffentlicht. Seine mathematische Lichttheorie wurde zunächst zugunsten von Newtons Korpuskulartheorie des Lichts abgelehnt, bis Augustin-Jean Fresnel 1821 das Huygens-Prinzip übernahm, um eine vollständige Erklärung der geradlinigen Ausbreitungs- und Beugungseffekte des Lichts zu liefern. Heute ist dieses Prinzip als bekannt Huygens-Fresnel-Prinzip. Als Astronom begann Huygens zusammen mit seinem Bruder Constantijn jr. mit dem Schleifen von Linsen, um Teleskope für die astronomische Forschung zu bauen. Er war der Erste, der die Ringe des Saturn identifizierte als „einen dünnen, flachen Ring, der sich nirgends berührt und zur Ekliptik geneigt ist“ und entdeckte mit einem Brechungsteleskop den ersten Saturnmond, Titan.
Neben den vielen wichtigen Entdeckungen, die Huygens in der Physik und Astronomie machte, und seinen Erfindungen genialer Geräte war er auch der Erste, der der Beschreibung physikalischer Phänomene mathematische Genauigkeit verlieh. Aus diesem Grund und aufgrund der Tatsache, dass er institutionelle Rahmenbedingungen für die wissenschaftliche Forschung auf dem Kontinent entwickelte, wurde er als „der führende Akteur bei der Entwicklung der Wissenschaft in Europa“ bezeichnet.
Im späten 17. und frühen 18. Jahrhundert waren es die Errungenschaften des Physikers und Mathematikers Sir Isaac Newton (1642–1727) an der Universität Cambridge. Newton, ein Mitglied der Royal Society of England, kombinierte seine eigenen Entdeckungen in Mechanik und Astronomie mit früheren, um ein einziges System zur Beschreibung der Funktionsweise des Universums zu schaffen. Newton formulierte drei Bewegungsgesetze, die die Beziehung zwischen Bewegung und Objekten formulierten, sowie das Gesetz der universellen Gravitation, wobei letzteres nicht nur zur Erklärung des Verhaltens fallender Körper auf der Erde, sondern auch von Planeten und anderen Himmelskörpern herangezogen werden konnte. Um zu seinen Ergebnissen zu gelangen, erfand Newton eine Form eines völlig neuen Zweigs der Mathematik: Infinitesimalrechnung (ebenfalls unabhängig von Gottfried Leibniz erfunden), die in den meisten Bereichen der Physik zu einem wesentlichen Werkzeug in der späteren Entwicklung werden sollte. Newtons Erkenntnisse wurden in seinen Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica („Mathematische Prinzipien der Naturphilosophie“) dargelegt, deren Veröffentlichung im Jahr 1687 den Beginn der modernen Periode der Mechanik und Astronomie markierte.
Newton konnte die kartesische mechanische Tradition widerlegen, dass alle Bewegungen mit Bezug auf die unmittelbare Kraft erklärt werden sollten, die von Korpuskeln ausgeübt wird. Mit seinen drei Bewegungsgesetzen und dem Gesetz der universellen Gravitation widerlegte Newton die Vorstellung, dass Objekte durch natürliche Formen bestimmte Bahnen folgten, und zeigte stattdessen, dass nicht nur regelmäßig beobachtete Bahnen, sondern alle zukünftigen Bewegungen eines Körpers auf der Grundlage der Kenntnis von ihrer vorhandenen Bewegung, ihre Masse und der auf sie einwirkenden Kräfte mathematisch abgeleitet werden können. Allerdings entsprachen die beobachteten Himmelsbewegungen nicht genau einer Newtonschen Behandlung, und Newton, der sich auch sehr für Theologie interessierte, stellte sich vor, dass Gott eingriff, um die anhaltende Stabilität des Sonnensystems sicherzustellen.
Newtons Prinzipien (jedoch nicht seine mathematischen Behandlungen) erwiesen sich bei kontinentalen Philosophen als umstritten, die seinen Mangel an metaphysischen Erklärungen für Bewegung und Gravitation als philosophisch inakzeptabel empfanden. Ab etwa 1700 kam es zu einer erbitterten Kluft zwischen der kontinentalen und der britischen philosophischen Tradition, die durch hitzige, anhaltende und äußerst persönliche Auseinandersetzungen zwischen den Anhängern von Newton und Leibniz über den Vorrang der analytischen Techniken der Infinitesimalrechnung geschürt wurde, die jeder unabhängig voneinander entwickelt hatte. Anfangs herrschten auf dem Kontinent die kartesischen und leibnizischen Traditionen vor (was zur Dominanz der Leibnizschen Analysis-Notation überall außer in Großbritannien führte). Newton selbst blieb insgeheim beunruhigt über das Fehlen eines philosophischen Verständnisses der Gravitation, beharrte jedoch in seinen Schriften darauf, dass keines notwendig sei, um auf ihre Realität schließen zu können. Im Laufe des 18. Jahrhunderts akzeptierten kontinentale Naturphilosophen zunehmend die Bereitschaft der Newtonianer, auf ontologische metaphysische Erklärungen für mathematisch beschriebene Bewegungen zu verzichten.
Newton baute das erste funktionierende Spiegelteleskop und entwickelte eine in Opticks veröffentlichte Farbtheorie, die auf der Beobachtung beruhte, dass ein Prisma weißes Licht in die vielen Farben zerlegt, die das sichtbare Spektrum bilden. Während Newton erklärte, dass Licht aus winzigen Teilchen besteht, stellte Christiaan Huygens 1690 eine konkurrierende Lichttheorie vor, die sein Verhalten anhand von Wellen erklärte. Der Glaube an die mechanistische Philosophie gepaart mit Newtons Ruf führte jedoch dazu, dass die Wellentheorie bis zum 19. Jahrhundert relativ wenig Unterstützung fand. Newton formulierte auch ein empirisches Abkühlungsgesetz, das er Schallgeschwindigkeit nannte, untersuchte Potenzreihen, demonstrierte den verallgemeinerten Binomialsatz und entwickelte eine Methode zur Approximation der Wurzeln einer Funktion. Seine Arbeit über unendliche Reihen wurde von Simon Stevins Dezimalzahlen inspiriert. Am wichtigsten ist, dass Newton zeigte, dass die Bewegungen von Objekten auf der Erde und von Himmelskörpern denselben Naturgesetzen unterliegen, die weder kapriziös noch böswillig sind. Durch den Nachweis der Konsistenz zwischen Keplers Gesetzen der Planetenbewegung und seiner eigenen Gravitationstheorie beseitigte Newton auch die letzten Zweifel am Heliozentrismus. Durch die Zusammenführung aller während der wissenschaftlichen Revolution dargelegten Ideen legte Newton effektiv die Grundlage für die moderne Gesellschaft in Mathematik und Naturwissenschaften.
Auch andere Zweige der Physik erregten in der Zeit der wissenschaftlichen Revolution Aufmerksamkeit. William Gilbert , Hofarzt von Königin Elisabeth I., veröffentlichte im Jahr 1600 ein wichtiges Werk über Magnetismus, in dem er beschrieb, wie sich die Erde selbst wie ein riesiger Magnet verhält. Robert Boyle (1627–91) untersuchte das Verhalten von in einer Kammer eingeschlossenen Gasen und formulierte das nach ihm benannte Gasgesetz; er trug auch zur Physiologie und zur Gründung der modernen Chemie bei. Ein weiterer wichtiger Faktor der wissenschaftlichen Revolution war der Aufstieg gelehrter Gesellschaften und Akademien in verschiedenen Ländern. Die frühesten davon befanden sich in Italien und Deutschland und waren von kurzer Dauer. Einflussreicher waren die Royal Society of England (1660) und die Akademie der Wissenschaften in Frankreich (1666). Ersteres war eine private Einrichtung in London und umfasste Wissenschaftler wie John Wallis, William Brouncker, Thomas Sydenham, John Mayow und Christopher Wren. Letztere in Paris war eine Regierungsinstitution und umfasste als ausländisches Mitglied den Niederländer Huygens. Im 18. Jahrhundert wurden in Berlin (1700) und in St. Petersburg (1724) bedeutende königliche Akademien gegründet. Die Gesellschaften und Akademien boten während und nach der wissenschaftlichen Revolution die wichtigsten Möglichkeiten für die Veröffentlichung und Diskussion wissenschaftlicher Ergebnisse. Im Jahr 1690 zeigte Jakob Bernoulli, dass die Zykloide die Lösung des Tautochrone-Problems ist; und im darauffolgenden Jahr, im Jahr 1691, zeigte Johann Bernoulli, dass eine Kette, die frei an zwei Punkten aufgehängt ist, eine Kettenlinie bildet, die Kurve mit dem niedrigstmöglichen Schwerpunkt, der für jede zwischen zwei festen Punkten aufgehängte Kette verfügbar ist. Anschließend zeigte er 1696, dass die Zykloide die Lösung des Brachistochronenproblems ist.
Ein Vorläufer des Motors wurde vom deutschen Wissenschaftler Otto von Guericke entworfen und gebaut, der 1650 die weltweit erste Vakuumpumpe entwarf und baute, um ein Vakuum zu erzeugen, wie im Magdeburger Halbkugelexperiment demonstriert wurde. Er war bestrebt, ein Vakuum zu schaffen, um Aristoteles‘ lange gehegte Annahme zu widerlegen, dass „die Natur ein Vakuum verabscheut“ . Kurz darauf hatte der irische Physiker und Chemiker Boyle von Guerickes Entwürfen erfahren und baute 1656 in Zusammenarbeit mit dem englischen Wissenschaftler Robert Hooke eine Luftpumpe. Mithilfe dieser Pumpe stellten Boyle und Hooke die Druck-Volumen-Korrelation für ein Gas fest: PV = k , wobei P der Druck ist, V das Volumen und k eine Konstante: Diese Beziehung ist als Boyles Gesetz bekannt. Man ging damals davon aus, dass Luft ein System bewegungsloser Teilchen sei und nicht als System sich bewegender Moleküle. Das Konzept der thermischen Bewegung entstand zwei Jahrhunderte später. Daher spricht Boyles Veröffentlichung im Jahr 1660 von einem mechanischen Konzept: der Luftfeder. Später, nach der Erfindung des Thermometers, konnte die Eigenschaft Temperatur quantifiziert werden. Dieses Werkzeug gab Gay-Lussac die Möglichkeit, sein Gesetz abzuleiten, das kurz später zum idealen Gasgesetz führte. Doch bereits vor der Aufstellung des idealen Gasgesetzes baute ein Mitarbeiter Boyles namens Denis Papin im Jahr 1679 einen Knochenkocher, einen geschlossenen Behälter mit einem dicht schließenden Deckel, der den Dampf einschließt, bis ein hoher Druck erzeugt wird.
Spätere Konstruktionen implementierten ein Dampfablassventil, um eine Explosion der Maschine zu verhindern. Indem er beobachtete, wie sich das Ventil rhythmisch auf und ab bewegte, kam Papin auf die Idee eines Kolben-Zylinder-Motors. Er setzte seinen Entwurf jedoch nicht um. Dennoch baute der Ingenieur Thomas Savery 1697 auf der Grundlage von Papins Entwürfen den ersten Motor. Obwohl diese frühen Motoren grob und ineffizient waren, erregten sie die Aufmerksamkeit der führenden Wissenschaftler der damaligen Zeit. Daher wurden vor 1698 und der Erfindung der Savery-Maschine Pferde verwendet, um an Eimern befestigte Flaschenzüge anzutreiben, die Wasser aus überfluteten Salzminen in England förderten. In den folgenden Jahren wurden weitere Variationen von Dampfmaschinen gebaut, beispielsweise die Newcomen Engine und später der Watt-Motor. Mit der Zeit würden diese frühen Motoren irgendwann anstelle von Pferden eingesetzt werden. Somit begann man, jedem Motor eine bestimmte Menge an „Pferdestärke“ zuzuordnen, je nachdem, wie viele Pferde er ersetzt hatte. Das Hauptproblem dieser ersten Motoren bestand darin, dass sie langsam und schwerfällig waren und weniger als 2 % des zugeführten Kraftstoffs in nutzbare Arbeit umwandelten. Mit anderen Worten: Um nur einen kleinen Teil der Arbeitsleistung zu erzielen, mussten große Mengen Kohle (oder Holz) verbrannt werden. Daraus entstand die Notwendigkeit einer neuen Wissenschaft der Motordynamik.
Entwicklungen im 18. Jahrhundert
Im 18. Jahrhundert wurde die von Newton begründete Mechanik von mehreren Wissenschaftlern weiterentwickelt, da immer mehr Mathematiker sich mit der Infinitesimalrechnung beschäftigten und ihre ursprüngliche Formulierung ausarbeiteten. Die Anwendung der mathematischen Analyse auf Bewegungsprobleme wurde als rationale Mechanik oder gemischte Mathematik bezeichnet (und wurde später als klassische Mechanik bezeichnet).
Im Jahr 1714 leitete Brook Taylor die Grundfrequenz einer gedehnten schwingenden Saite anhand ihrer Spannung und Masse pro Längeneinheit durch Lösen einer Differentialgleichung ab. Der Schweizer Mathematiker Daniel Bernoulli (1700–1782) führte wichtige mathematische Studien zum Verhalten von Gasen durch und nahm damit die mehr als ein Jahrhundert später entwickelte kinetische Theorie von Gasen vorweg. Er gilt als der erste mathematische Physiker. Im Jahr 1733 leitete Daniel Bernoulli die Grundfrequenz und Harmonische einer hängenden Kette durch Lösen einer Differentialgleichung ab. Im Jahr 1734 löste Bernoulli die Differentialgleichung für die Schwingungen eines an einem Ende eingespannten elastischen Stabes. Bernoullis Behandlung der Fluiddynamik und seine Untersuchung der Fluidströmung wurden 1738 in seinem Werk Hydrodynamica eingeführt.
Die rationale Mechanik befasste sich hauptsächlich mit der Entwicklung ausgefeilter mathematischer Behandlungen beobachteter Bewegungen auf der Grundlage der Newtonschen Prinzipien und legte Wert auf die Verbesserung der Nachvollziehbarkeit komplexer Berechnungen und die Entwicklung legitimer Mittel zur analytischen Näherung. Ein repräsentatives zeitgenössisches Lehrbuch erschien bei Johann Baptist Horvath. Bis zum Ende des Jahrhunderts waren analytische Behandlungen streng genug, um die Stabilität des Sonnensystems allein auf der Grundlage der Newtonschen Gesetze ohne Bezug auf göttliches Eingreifen zu überprüfen – auch wenn deterministische Behandlungen von so einfachen Systemen wie dem Drei-Körper-Problem der Gravitation unlösbar blieben. Im Jahr 1705 sagte Edmond Halley die Periodizität des Halleyschen Kometen voraus, William Herschel entdeckte 1781 Uranus, und Henry Cavendish maß 1798 die Gravitationskonstante und bestimmte die Masse der Erde. 1783 vermutete John Michell, dass manche Objekte so massiv sein könnten, dass nicht einmal Licht von ihnen entkommen könnte.
Im Jahr 1739 löste Leonhard Euler die gewöhnliche Differentialgleichung für einen erzwungenen harmonischen Oszillator und bemerkte das Resonanzphänomen. Im Jahr 1742 entdeckte Colin Maclaurin seine gleichmäßig rotierenden selbstgravitierenden Sphäroide. Im Jahr 1742 veröffentlichte Benjamin Robins seine „New Principles in Gunnery“ und begründete damit die Wissenschaft der Aerodynamik. Die britischen Arbeiten, die von Mathematikern wie Taylor und Maclaurin vorangetrieben wurden, blieben im Laufe des Jahrhunderts hinter den kontinentalen Entwicklungen zurück. Unterdessen blühte die Arbeit an wissenschaftlichen Akademien auf dem Kontinent unter der Leitung von Mathematikern wie Bernoulli, Euler, Lagrange, Laplace und Legendre auf. Im Jahr 1743 veröffentlichte Jean le Rond d'Alembert sein Werk Traite de Dynamique, in dem er das Konzept verallgemeinerter Kräfte zur Beschleunigung von Systemen mit Nebenbedingungen einführte und die neue Idee der virtuellen Arbeit zur Lösung dynamischer Probleme anwendete, die heute als D'Alembert-Prinzip bekannt ist, als Rivale zu Newtons zweitem Gesetz der Bewegung. Im Jahr 1747 wandte Pierre Louis Maupertuis Minimalprinzipien auf die Mechanik an. 1759 löste Euler die partielle Differentialgleichung für die Schwingung einer rechteckigen Trommel. Im Jahr 1764 untersuchte Euler die partielle Differentialgleichung für die Schwingung einer kreisförmigen Trommel und fand eine der Lösungen der Bessel-Funktion. Im Jahr 1776 veröffentlichte John Smeaton einen Artikel über Experimente zum Zusammenhang von Leistung, Arbeit, Impuls und kinetische Energie sowie die Unterstützung der Energieeinsparung. Im Jahr 1788 stellte Joseph Louis Lagrange in Mécanique Analytique die Bewegungsgleichungen von Lagrange vor, in denen die gesamte Mechanik nach dem Prinzip der virtuellen Arbeit organisiert war. Im Jahr 1789 stellte Antoine Lavoisier das Massenerhaltungsgesetz auf. Die im 18. Jahrhundert entwickelte rationale Mechanik wurde sowohl in Lagranges Werk von 1788 als auch in Pierre-Simon Laplaces „Celestial Mechanics“ (1799–1825) brillant dargelegt.
Im 18. Jahrhundert wurde die Thermodynamik durch die Theorien schwereloser „unwägbarer Flüssigkeiten“ wie Wärme („kalorisch“), Elektrizität und Phlogiston entwickelt (das nach Lavoisiers Identifizierung von Sauerstoffgas Ende des Jahrhunderts als Konzept schnell verworfen wurde). Unter der Annahme, dass es sich bei diesen Konzepten um echte Flüssigkeiten handelte, könnte ihr Fluss durch einen mechanischen Apparat oder chemische Reaktionen verfolgt werden. Diese Tradition des Experimentierens führte zur Entwicklung neuartiger Versuchsapparate, wie etwa des Leyden Jar; und neue Arten von Messgeräten, wie das Kalorimeter, und verbesserte Versionen alter Messgeräte, wie das Thermometer. Experimente brachten auch neue Konzepte hervor, wie zum Beispiel die Vorstellung von latenter Wärme durch den Experimentator Joseph Black von der University of Glasgow und die Charakterisierung elektrischer Flüssigkeit durch den Philadelphia-Intellektuellen Benjamin Franklin, die zwischen Orten von Überschuss und Defizit fließt (ein Konzept, das später im Sinne von positiver und negativer Wärme-Ladungen uminterpretiert wurde). Franklin zeigte 1752 auch, dass Blitze Elektrizität sind.
Die im 18. Jahrhundert anerkannte Theorie der Wärme betrachtete sie als eine Art Flüssigkeit, genannt Kalorien; obwohl sich später herausstellte, dass diese Theorie falsch war, machten eine Reihe von Wissenschaftlern, die an ihr festhielten, dennoch wichtige Entdeckungen, die für die Entwicklung der modernen Theorie nützlich waren, darunter Joseph Black (1728–99) und Henry Cavendish (1731–1810). Im Gegensatz zu dieser Kalorientheorie, die hauptsächlich von Chemikern entwickelt worden war, stand die weniger akzeptierte Theorie aus Newtons Zeit, dass Wärme auf die Bewegungen der Teilchen einer Substanz zurückzuführen sei. Diese mechanische Theorie wurde 1798 durch die Kanonenschussexperimente des Grafen Rumford (Benjamin Thompson) gestützt, der einen direkten Zusammenhang zwischen Wärme und mechanischer Energie fand.
Zwar erkannte man bereits zu Beginn des 18. Jahrhunderts, dass es eine wichtige Errungenschaft sein würde, absolute Theorien der elektrostatischen und magnetischen Kraft zu finden, die den Newtonschen Bewegungsprinzipien ähneln, doch diese Erfolge blieben aus. Diese Unmöglichkeit verschwand erst langsam, als die experimentelle Praxis in den frühen Jahren des 19. Jahrhunderts an Orten wie der neu gegründeten Royal Institution in London immer weiter verbreitet und verfeinert wurde. In der Zwischenzeit begann man, die analytischen Methoden der rationalen Mechanik auf experimentelle Phänomene anzuwenden, am einflussreichsten war die analytische Behandlung des Wärmeflusses durch den französischen Mathematiker Joseph Fourier, die 1822 veröffentlicht wurde. Joseph Priestley schlug 1767 ein elektrisches Umkehrquadratgesetz vor, und Charles-Augustin de Coulomb führte 1798 das Umkehrquadratgesetz der Elektrostatik ein.
Am Ende des Jahrhunderts hatten die Mitglieder der Französischen Akademie der Wissenschaften eine klare Vorherrschaft auf diesem Gebiet erlangt. Gleichzeitig blieb die von Galilei und seinen Anhängern begründete experimentelle Tradition bestehen. Die Royal Society und die Französische Akademie der Wissenschaften waren wichtige Zentren für die Durchführung und Berichterstattung experimenteller Arbeiten. Experimente in Mechanik, Optik, Magnetismus, statischer Elektrizität, Chemie und Physiologie wurden im 18. Jahrhundert nicht klar voneinander unterschieden, es zeichneten sich jedoch erhebliche Unterschiede in den Erklärungsschemata und damit in der Versuchsgestaltung ab. Chemische Experimentatoren widersetzten sich beispielsweise den Versuchen, chemischen Zugehörigkeiten ein Schema abstrakter Newtonscher Kräfte aufzuzwingen, und konzentrierten sich stattdessen auf die Isolierung und Klassifizierung chemischer Substanzen und Reaktionen.
19. Jahrhundert
Im Jahr 1821 begann William Hamilton mit der Analyse der charakteristischen Funktion Hamiltons. Im Jahr 1835 stellte er Hamiltons kanonische Bewegungsgleichungen auf.
Im Jahr 1813 unterstützte Peter Ewart die Idee der Energieerhaltung in seinem Aufsatz „On the Measure of Moving Force“ . Im Jahr 1829 führte Gaspard Coriolis die Begriffe Arbeit (Kraft mal Weg) und kinetische Energie mit ihrer heutigen Bedeutung ein. Im Jahr 1841 verfasste Julius Robert von Mayer, ein Amateurwissenschaftler, eine Arbeit über die Energieeinsparung, die jedoch aufgrund mangelnder akademischer Ausbildung abgelehnt wurde. Im Jahr 1847 formulierte Hermann von Helmholtz offiziell den Energieerhaltungssatz.
Im Jahr 1800 erfand Alessandro Volta die elektrische Batterie (bekannt als Voltaic Pile) und verbesserte damit auch die Art und Weise, wie elektrische Ströme untersucht werden konnten. Ein Jahr später demonstrierte Thomas Young die Wellennatur des Lichts – die durch die Arbeit von Augustin-Jean Fresnel starke experimentelle Beweise erhielt – und das Prinzip der Interferenz. Im Jahr 1820 fand Hans Christian Ørsted heraus, dass ein stromdurchflossener Leiter eine ihn umgebende magnetische Kraft erzeugt, und innerhalb einer Woche, nachdem Ørsteds Entdeckung Frankreich erreicht hatte, entdeckte André-Marie Ampère, dass zwei parallele elektrische Ströme Kräfte aufeinander ausüben. Im Jahr 1821 baute Michael Faraday einen elektrisch betriebenen Motor, während Georg Ohm 1826 sein Gesetz des elektrischen Widerstands aufstellte, das die Beziehung zwischen Spannung, Strom und Widerstand in einem Stromkreis ausdrückte.
Im Jahr 1831 entdeckten Faraday (und unabhängig davon Joseph Henry) den umgekehrten Effekt, die Erzeugung eines elektrischen Potentials oder Stroms durch Magnetismus – bekannt als elektromagnetische Induktion; diese beiden Entdeckungen sind die Grundlage des Elektromotors bzw. des elektrischen Generators.
Im 19. Jahrhundert wurde der Zusammenhang zwischen Wärme und mechanischer Energie quantitativ durch Julius Robert von Mayer und James Prescott Joule festgestellt, die in den 1840er Jahren das mechanische Äquivalent von Wärme maßen. Im Jahr 1849 veröffentlichte Joule Ergebnisse seiner Versuchsreihe (darunter das Schaufelradexperiment), die zeigten, dass Wärme eine Energieform ist, eine Tatsache, die in den 1850er Jahren akzeptiert wurde. Der Zusammenhang zwischen Wärme und Energie war wichtig für die Entwicklung von Dampfmaschinen, und 1824 wurden die experimentellen und theoretischen Arbeiten von Sadi Carnot veröffentlicht. Carnot hat einige Ideen der Thermodynamik in seiner Diskussion über den Wirkungsgrad eines idealisierten Motors aufgegriffen. Die Arbeit von Sadi Carnot lieferte eine Grundlage für die Formulierung des ersten Hauptsatzes der Thermodynamik – eine Neuformulierung des Energieerhaltungssatzes – der um 1850 von William Thomson, später bekannt als Lord Kelvin, und Rudolf Clausius aufgestellt wurde. Lord Kelvin, der 1848 das Konzept des absoluten Nullpunkts von Gasen auf alle Substanzen ausgeweitet hatte, stützte sich auf die Ingenieurstheorie von Lazare Carnot, Sadi Carnot und Émile Clapeyron – sowie auf die Experimente von James Prescott Joule zur Austauschbarkeit mechanischer, chemische, thermische und elektrische Arbeitsformen – um das erste Gesetz zu formulieren.
Kelvin und Clausius formulierten auch den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik, der ursprünglich auf der Grundlage der Tatsache formuliert wurde, dass Wärme nicht spontan von einem kälteren Körper zu einem heißeren fließt. Andere Formulierungen folgten schnell (zum Beispiel wurde das zweite Gesetz in Thomsons und Peter Guthrie Taits einflussreichem Werk „Treatise on Natural Philosophy“ dargelegt), und insbesondere Kelvin verstand einige der allgemeinen Implikationen des Gesetzes. Das zweite Gesetz war die Idee, dass Gase aus sich bewegenden Molekülen bestehen. Es wurde 1738 von Daniel Bernoulli ausführlicher diskutiert, war jedoch in Ungnade gefallen und wurde 1857 von Clausius wiederbelebt. Im Jahr 1850 maßen Hippolyte Fizeau und Léon Foucault die Lichtgeschwindigkeit im Wasser und stellen fest, dass es langsamer ist als in der Luft, was das Wellenmodell des Lichts stützt. Im Jahr 1852 zeigten Joule und Thomson, dass ein sich schnell ausdehnendes Gas abkühlt, was später als Joule-Thomson-Effekt oder Joule-Kelvin-Effekt bezeichnet wurde. Hermann von Helmholtz brachte die Idee des Hitzetodes des Universums im Jahr 1854 vor, im selben Jahr, in dem Clausius die Bedeutung von dQ/T ( Satz von Clausius) feststellte (obwohl er die Größe noch nicht benannte).
Im Jahr 1859 entdeckte James Clerk Maxwell das Verteilungsgesetz molekularer Geschwindigkeiten. Maxwell zeigte, dass sich elektrische und magnetische Felder von ihrer Quelle mit einer Geschwindigkeit ausbreiten, die der des Lichts entspricht, und dass Licht eine von mehreren Arten elektromagnetischer Strahlung ist, die sich nur in Frequenz und Wellenlänge von den anderen unterscheidet. Im Jahr 1859 erarbeitete Maxwell die Mathematik der Geschwindigkeitsverteilung der Moleküle eines Gases. Die Wellentheorie des Lichts war zur Zeit von Maxwells Arbeiten über das elektromagnetische Feld weithin akzeptiert, und danach waren das Studium des Lichts und das der Elektrizität und des Magnetismus eng miteinander verbunden. Im Jahr 1864 veröffentlichte James Maxwell seine Arbeiten über eine dynamische Theorie des elektromagnetischen Feldes und stellte in der Veröffentlichung von Maxwells Abhandlung über Elektrizität und Magnetismus im Jahr 1873 fest, dass Licht ein elektromagnetisches Phänomen sei. Diese Arbeit stützte sich auf theoretische Arbeiten deutscher Theoretiker wie Carl Friedrich Gauß und Wilhelm Weber. Die Einkapselung von Wärme in der Teilchenbewegung und die Hinzufügung elektromagnetischer Kräfte zur Newtonschen Dynamik bildeten eine äußerst robuste theoretische Grundlage für physikalische Beobachtungen.
Die Vorhersage, dass Licht eine Übertragung von Energie in Wellenform durch einen „Lichtäther“ darstellt, und die scheinbare Bestätigung dieser Vorhersage durch die Entdeckung elektromagnetischer Strahlung durch den Helmholtz-Studenten Heinrich Hertz im Jahr 1888 waren ein großer Triumph für die physikalische Theorie und eröffneten die Möglichkeit dass bald noch grundlegendere Theorien auf der Grundlage dieses Fachgebiets entwickelt werden könnten. Die experimentelle Bestätigung von Maxwells Theorie lieferte Hertz, der 1886 elektrische Wellen erzeugte und aufspürte und ihre Eigenschaften verifizierte, was gleichzeitig ihre Anwendung in Radio, Fernsehen und anderen Geräten vorwegnahm. Im Jahr 1887 entdeckte Heinrich Hertz den photoelektrischen Effekt. Bald darauf begann die Erforschung elektromagnetischer Wellen, und viele Wissenschaftler und Erfinder führten Experimente zu deren Eigenschaften durch. Mitte bis Ende der 1890er Jahre entwickelte Guglielmo Marconi ein auf Funkwellen basierendes drahtloses Telegrafiesystem.
Die Atomtheorie der Materie wurde im frühen 19. Jahrhundert erneut vom Chemiker John Dalton vorgeschlagen und wurde zu einer der Hypothesen der kinetisch-molekularen Gastheorie, die von Clausius und James Clerk Maxwell zur Erklärung der Gesetze der Thermodynamik entwickelt wurde.
Die kinetische Theorie wiederum führte zu einem revolutionären wissenschaftlichen Ansatz, der statistischen Mechanik von Ludwig Boltzmann (1844–1906) und Josiah Willard Gibbs (1839–1903), die die Statistik von Mikrozuständen eines Systems untersucht und Statistiken zur Bestimmung des Zustands eines physikalischen Systems verwendet. Clausius setzte die statistische Wahrscheinlichkeit bestimmter Organisationszustände dieser Teilchen mit der Energie dieser Zustände in Beziehung und interpretierte die Energiedissipation als statistische Tendenz molekularer Konfigurationen, in immer wahrscheinlichere, zunehmend unorganisierte Zustände überzugehen (wobei er den Begriff „Entropie“ prägte, um die Desorganisation eines Zustandes zu beschreiben). Die statistischen versus absoluten Interpretationen des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik führten zu einem Streit, der mehrere Jahrzehnte andauern sollte (und Argumente wie „Maxwells Dämon“ hervorbrachte), und der nicht endgültig gelöst wurde, bis das Verhalten von Atomen im frühen 20. Jahrhundert fest etabliert war. Im Jahr 1902 fand James Jeans die Längenskala, die erforderlich ist, damit Gravitationsstörungen in einem statischen, nahezu homogenen Medium wachsen.
Im Jahr 1822 entdeckte der Botaniker Robert Brown die Brownsche Bewegung: Pollenkörner im Wasser bewegen sich, weil sie von den sich schnell bewegenden Atomen oder Molekülen in der Flüssigkeit bombardiert werden.
Im Jahr 1834 entdeckte Carl Jacobi seine gleichmäßig rotierenden selbstgravitierenden Ellipsoide (das Jacobi-Ellipsoid).
Im Jahr 1834 beobachtete John Russell eine nicht zerfallende einzelne Wasserwelle (Soliton) im Union Canal in der Nähe von Edinburgh und untersuchte mithilfe eines Wassertanks die Abhängigkeit der Geschwindigkeiten einzelner Wasserwellen von der Wellenamplitude und der Wassertiefe. Im Jahr 1835 untersuchte Gaspard Coriolis theoretisch die mechanische Effizienz von Wasserrädern und leitete daraus den Coriolis-Effekt ab. Im Jahr 1842 schlug Christian Doppler den Doppler-Effekt vor.
Im Jahr 1851 zeigte Léon Foucault die Erdrotation mit einem riesigen Pendel (Foucault-Pendel).
In der ersten Hälfte des Jahrhunderts gab es wichtige Fortschritte in der Kontinuumsmechanik, nämlich die Formulierung von Elastizitätsgesetzen für Festkörper und die Entdeckung der Navier-Stokes-Gleichungen für Flüssigkeiten.
20. Jahrhundert: Geburt der modernen Physik
Ende des 19. Jahrhunderts hatte sich die Physik so weit entwickelt, dass die klassische Mechanik hochkomplexe Probleme im Zusammenhang mit makroskopischen Situationen bewältigen konnte; Thermodynamik und kinetische Theorie waren gut etabliert; geometrische und physikalische Optik könnten im Hinblick auf elektromagnetische Wellen verstanden werden; und die Erhaltungssätze für Energie und Impuls und Masse wurden weithin akzeptiert. Diese und andere Entwicklungen waren so tiefgreifend, dass allgemein davon ausgegangen wurde, dass alle wichtigen Gesetze der Physik entdeckt worden seien und dass sich die Forschung fortan mit der Lösung kleinerer Probleme und insbesondere mit der Verbesserung von Methoden und Messungen befassen werde. Allerdings entstanden um 1900 ernsthafte Zweifel an der Vollständigkeit der klassischen Theorien – der Siegeszug der Maxwellschen Theorien wurde beispielsweise durch bereits aufgetretene Unzulänglichkeiten untergraben – und an ihrer Unfähigkeit, bestimmte physikalische Phänomene zu erklären, Schwarzkörperstrahlung und den photoelektrischen Effekt, während einige der theoretischen Formulierungen zu Paradoxien führten, wenn sie bis an die Grenzen ausgereizt wurden. Prominente Physiker wie Hendrik Lorentz, Emil Cohn, Ernst Wiechert und Wilhelm Wien glaubten, dass eine Modifikation der Maxwellschen Gleichungen die Grundlage für alle physikalischen Gesetze bilden könnte. Diese Mängel der klassischen Physik konnten nie behoben werden, und es waren neue Ideen erforderlich. Zu Beginn des 20. Jahrhunderts erschütterte eine große Revolution die Welt der Physik, die zu einer neuen Ära führte, die allgemein als moderne Physik bezeichnet wird.
Im 19. Jahrhundert begannen Experimentatoren, unerwartete Strahlungsformen nachzuweisen: Wilhelm Röntgen sorgte 1895 mit seiner Entdeckung der Röntgenstrahlen für Aufsehen; 1896 entdeckte Henri Becquerel, dass bestimmte Arten von Materie von selbst Strahlung aussenden. Im Jahr 1897 entdeckte J.J. Thomson das Elektron, und neue radioaktive Elemente, die Marie und Pierre Curie entdeckten, warfen Fragen über das angeblich unzerstörbare Atom und die Natur der Materie auf. Marie und Pierre Curie prägten den Begriff „Radioaktivität“, um diese Eigenschaft der Materie zu beschreiben, und isolierten die radioaktiven Elemente Radium und Polonium. Ernest Rutherford und Frederick Soddy identifizierten mit Elektronen und dem Element Helium zwei von Becquerels Strahlungsformen. Rutherford identifizierte und benannte zwei Arten von Radioaktivität und interpretierte 1911 experimentelle Beweise so, dass sie zeigten, dass das Atom aus einem dichten, positiv geladenen Kern besteht, der von negativ geladenen Elektronen umgeben ist. Die klassische Theorie sagte jedoch voraus, dass diese Struktur instabil sein sollte. Auch zwei weitere experimentelle Ergebnisse aus dem späten 19. Jahrhundert konnte die klassische Theorie nicht erfolgreich erklären. Eine davon war die Demonstration von Albert A. Michelson und Edward W. Morley – bekannt als Michelson-Morley-Experiment – das zeigte, dass es für die Beschreibung elektromagnetischer Phänomene offenbar keinen bevorzugten Bezugsrahmen in Ruhe in Bezug auf den hypothetischen Lichtäther zu geben schien. Untersuchungen zu Strahlung und radioaktivem Zerfall blieben bis in die 1930er Jahre hinein ein herausragender Schwerpunkt der physikalischen und chemischen Forschung, als die Entdeckung der Kernspaltung durch Lise Meitner und Otto Frisch den Weg für die praktische Nutzung dessen ebnete, was später als „atomare“ Energie bezeichnet wurde.
Albert Einsteins Relativitätstheorie
Im Jahr 1905 zeigte ein 26-jähriger deutscher Physiker namens Albert Einstein (damals Patentbeamter in Bern, Schweiz), wie Messungen von Zeit und Raum durch Bewegungen zwischen einem Beobachter und dem Beobachteten beeinflusst werden. Einsteins radikale Relativitätstheorie revolutionierte die Wissenschaft. Obwohl Einstein viele andere wichtige Beiträge zur Wissenschaft leistete, stellt allein die Relativitätstheorie eine der größten intellektuellen Errungenschaften aller Zeiten dar. Obwohl das Konzept der Relativität nicht von Einstein eingeführt wurde, erkannte er die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum als konstant, also für alle Beobachter gleich, und stellt eine absolute Obergrenze für die Geschwindigkeit dar. Dies hat keine Auswirkungen auf das tägliche Leben eines Menschen, da sich die meisten Objekte mit einer Geschwindigkeit fortbewegen, die viel geringer ist als die Lichtgeschwindigkeit. Für Objekte, die sich nahezu mit Lichtgeschwindigkeit bewegen, zeigt die Relativitätstheorie jedoch, dass die mit diesen Objekten verbundenen Uhren langsamer laufen und dass die Länge der Objekte nach Messungen eines Beobachters auf der Erde kürzer wird. Einstein leitete auch die berühmte Gleichung E = mc 2 ab, die die Äquivalenz von Masse und Energie ausdrückt.
Einstein schlug vor, dass Gravitation darauf zurückzuführen ist, dass Massen (oder ihre äquivalenten Energien) die Raumzeit, in der sie existieren, krümmen („verbiegen“) und so die Wege verändern, denen sie darin folgen.
Einstein argumentierte, dass die Lichtgeschwindigkeit in allen Trägheitsbezugssystemen eine Konstante sei und dass elektromagnetische Gesetze unabhängig vom Bezugsrahmen gültig bleiben sollten – Behauptungen, die den Äther für die physikalische Theorie überflüssig machten und besagten, dass Beobachtungen von Zeit und Länge relativ variierten darauf, wie sich der Beobachter in Bezug auf das gemessene Objekt bewegte (was später als „spezielle Relativitätstheorie“ bezeichnet wurde). Daraus folgte auch, dass Masse und Energie gemäß der Gleichung E = mc 2 austauschbare Größen waren. In einer anderen im selben Jahr veröffentlichten Arbeit behauptete Einstein, dass elektromagnetische Strahlung in diskreten Mengen („Quanten“) übertragen wird, gemäß einer Konstante, die der theoretische Physiker Max Planck im Jahr 1900 aufgestellt hatte, um zu einer genauen Theorie für die Verteilung der Schwarzkörperstrahlung zu gelangen – eine Annahme, die die seltsamen Eigenschaften des photoelektrischen Effekts erklärte.
Die spezielle Relativitätstheorie ist eine Formulierung der Beziehung zwischen physikalischen Beobachtungen und den Konzepten von Raum und Zeit. Die Theorie entstand aus Widersprüchen zwischen Elektromagnetismus und Newtonscher Mechanik und hatte große Auswirkungen auf beide Bereiche. Die ursprüngliche historische Frage war, ob es sinnvoll war, den elektromagnetischen Wellen tragenden „Äther“ und die Bewegung relativ dazu zu diskutieren und ob man eine solche Bewegung erkennen konnte, wie es im Michelson-Morley-Experiment erfolglos versucht wurde. Einstein zerstörte diese Fragen und das Ätherkonzept in seiner speziellen Relativitätstheorie. Allerdings beinhaltet seine Grundformulierung keine detaillierte elektromagnetische Theorie. Es ergibt sich aus der Frage: „Was ist Zeit?“ Newton, in den Principia (1686) hatte eine eindeutige Antwort gegeben: „Die absolute, wahre und mathematische Zeit fließt aus sich selbst und aus ihrer eigenen Natur heraus gleichmäßig ohne Beziehung zu irgendetwas Äußerem und wird mit einem anderen Namen Dauer genannt.“ Diese Definition ist grundlegend für die gesamte klassische Physik.
Einstein hatte die Genialität, sie in Frage zu stellen, und stellte fest, dass sie unvollständig war. Stattdessen nutzt jeder „Beobachter“ notwendigerweise seine eigene Zeitskala, und für zwei Beobachter in relativer Bewegung unterscheiden sich ihre Zeitskalen. Dies führt zu einem entsprechenden Effekt auf Positionsmessungen. Raum und Zeit werden zu miteinander verflochtenen Konzepten, die grundsätzlich vom Betrachter abhängig sind. Jeder Beobachter leitet sein eigenes Raum-Zeit-Gerüst oder Koordinatensystem. Da es keinen absoluten Bezugsrahmen gibt, nehmen alle Beobachter gegebener Ereignisse unterschiedliche, aber gleichermaßen gültige (und vereinbare) Messungen vor. Was absolut bleibt, steht in Einsteins Relativitätspostulat: „Die Grundgesetze der Physik sind für zwei Beobachter identisch, die eine konstante Relativgeschwindigkeit zueinander haben.“
Die Spezielle Relativitätstheorie hatte tiefgreifende Auswirkungen auf die Physik: Sie begann mit einem Überdenken der Theorie des Elektromagnetismus und fand ein neues Symmetriegesetz der Natur, das heute Poincaré-Symmetrie genannt wird und die alte Galileische Symmetrie ersetzte .
Die Spezielle Relativitätstheorie übte einen weiteren nachhaltigen Einfluss auf die Dynamik aus. Obwohl ihr zunächst die „Vereinigung von Masse und Energie“ zugeschrieben wurde, stellte sich heraus, dass die relativistische Dynamik eine klare Unterscheidung zwischen der Ruhemasse, einer invarianten (beobachterunabhängigen) Eigenschaft eines Teilchens oder Teilchensystems, und der Energie festlegte als Impuls eines Systems. Die beiden letztgenannten bleiben in allen Situationen getrennt erhalten, sind jedoch gegenüber verschiedenen Beobachtern nicht invariant. Der Begriff Masse hat in der Teilchenphysik einen semantischen Wandel erfahren, und seit dem späten 20. Jahrhundert bezeichnet es fast ausschließlich die Ruhemasse (oder invariante Masse).
1916 gelang es Einstein, dies weiter zu verallgemeinern und alle Bewegungszustände einschließlich ungleichmäßiger Beschleunigung zu berücksichtigen, was zur allgemeinen Relativitätstheorie wurde. In dieser Theorie präzisierte Einstein auch ein neues Konzept, die Krümmung der Raumzeit, die die Gravitationswirkung an jedem Punkt im Raum beschrieb. Tatsächlich ersetzte die Krümmung der Raumzeit vollständig Newtons universelles Gravitationsgesetz. Nach Einstein ist die Gravitationskraft im normalen Sinne eine Art Illusion, die durch die Geometrie des Raumes verursacht wird. Das Vorhandensein einer Masse verursacht eine Krümmung der Raumzeit in der Nähe der Masse, und diese Krümmung bestimmt den Raumzeitpfad, dem alle frei beweglichen Objekte folgen müssen. Aus dieser Theorie wurde auch vorhergesagt, dass Licht der Schwerkraft unterliegen sollte – was alles experimentell bestätigt wurde. Kosmische Mikrowellen-Hintergrundstrahlung – eine Entdeckung, die grundlegende Anomalien in der klassischen Steady-State-Hypothese widerspiegelt. Für seine Arbeiten zur Relativitätstheorie, zum photoelektrischen Effekt und zur Schwarzkörperstrahlung erhielt Einstein 1921 den Nobelpreis.
Die allmähliche Akzeptanz von Einsteins Relativitätstheorien und der quantisierten Natur der Lichtübertragung sowie von Niels Bohrs Atommodell schuf ebenso viele Probleme wie sie lösten, was zu umfassenden Bemühungen führte, die Physik auf neuen Grundprinzipien wiederherzustellen. Als Einstein in den 1910er Jahren die Relativitätstheorie auf Fälle beschleunigender Referenzsysteme ausweitete (die „allgemeine Relativitätstheorie“), postulierte er eine Äquivalenz zwischen der Trägheitskraft der Beschleunigung und der Schwerkraft, was zu der Schlussfolgerung führte, dass der Raum gekrümmt und von endlicher Größe ist.
Quantenmechanik
Obwohl die Relativitätstheorie den von Michelson und Morley aufgezeigten Konflikt elektromagnetischer Phänomene löste, bestand ein zweites theoretisches Problem in der Erklärung der Verteilung der von einem schwarzen Körper emittierten elektromagnetischen Strahlung; Experimente zeigten, dass bei kürzeren Wellenlängen, am ultravioletten Ende des Spektrums, die Energie gegen Null ging, aber die klassische Theorie sagte voraus, dass sie unendlich werden sollte. Diese eklatante Diskrepanz, bekannt als Ultraviolettkatastrophe, wurde durch die neue Theorie der Quantenmechanik gelöst. Quantenmechanik ist die Theorie der Atome und subatomaren Systeme. Ungefähr die ersten 30 Jahre des 20. Jahrhunderts stellen die Zeit der Konzeption und Entwicklung der Theorie dar. Die Grundideen der Quantentheorie wurden im Jahr 1900 von Max Planck (1858–1947) eingeführt, der 1918 für seine Entdeckung der quantifizierten Natur der Energie den Nobelpreis für Physik erhielt. Die Quantentheorie (die zuvor auf der „Entsprechung“ im großen Maßstab zwischen der quantisierten Welt des Atoms und den Kontinuitäten der „klassischen“ Welt beruhte) wurde akzeptiert, als der Compton-Effekt feststellte, dass Licht Impulse trägt und Teilchen streuen kann, wie Louis de Broglie behauptete, dass man Materie als eine Welle betrachten könne, ähnlich wie elektromagnetische Wellen sich wie Teilchen verhalten (Welle-Teilchen-Dualität).
1905 nutzte Einstein die Quantentheorie, um den photoelektrischen Effekt zu erklären, und 1913 verwendete der dänische Physiker Niels Bohr dieselbe Konstante, um die Stabilität des Rutherford-Atoms sowie die Frequenzen des von Wasserstoffgas emittierten Lichts zu erklären. Die quantisierte Theorie des Atoms wich in den 1920er Jahren einer umfassenden Quantenmechanik. Neue Prinzipien einer „Quanten“- statt einer „klassischen“ Mechanik, die 1925 von Werner Heisenberg, Max Born und Pascual Jordan in Matrixform formuliert wurden, basierten auf der probabilistischen Beziehung zwischen diskreten „Zuständen“ und leugneten die Möglichkeit einer Kausalität. Die Quantenmechanik wurde umfassend von Heisenberg, Wolfgang Pauli, Paul Dirac und Erwin Schrödinger entwickelt, die 1926 eine entsprechende, auf Wellen basierende Theorie aufstellten; aber Heisenbergs „Unschärferelation“ von 1927 (die auf die Unmöglichkeit der präzisen und gleichzeitigen Messung von Position und Impuls hinweist ) und die „Kopenhagener Interpretation“ der Quantenmechanik (benannt nach Bohrs Heimatstadt) leugneten weiterhin die Möglichkeit einer fundamentalen Kausalität, obwohl Gegner wie Einstein metaphorisch behaupten würden, dass „Gott nicht mit dem Universum würfelt“. Die neue Quantenmechanik wurde zu einem unverzichtbaren Werkzeug bei der Untersuchung und Erklärung von Phänomenen auf atomarer Ebene. Ebenfalls in den 1920er Jahren lieferten die Arbeiten des indischen Wissenschaftlers Satyendra Nath Bose über Photonen und Quantenmechanik die Grundlage für die Bose-Einstein-Statistik, die Theorie des Bose-Einstein-Kondensats.
Der Satz der Spinstatistik legte fest, dass jedes Teilchen in der Quantenmechanik entweder ein Boson (statistisch gesehen Bose-Einstein) oder ein Fermion (statistisch gesehen Fermi-Dirac) sein kann. Später wurde festgestellt, dass alle fundamentalen Bosonen Kräfte übertragen, wie zum Beispiel das Photon, das Elektromagnetismus überträgt.
Fermionen sind Teilchen „wie Elektronen und Nukleonen“ und die üblichen Bestandteile der Materie. Die Fermi-Dirac-Statistik fand später zahlreiche andere Anwendungen, von der Astrophysik bis zum Halbleiterdesign.
Während die philosophisch Interessierten weiterhin über die grundlegende Natur des Universums debattierten, wurden weiterhin Quantentheorien entwickelt, beginnend mit Paul Diracs Formulierung einer relativistischen Quantentheorie im Jahr 1928. Versuche, die elektromagnetische Theorie vollständig zu quantisieren, scheiterten jedoch in den 1930er Jahren durch theoretische Formulierungen, die unendliche Energien ergeben. Diese Situation wurde erst nach dem Ende des Zweiten Weltkriegs als ausreichend gelöst angesehen, als Julian Schwinger, Richard Feynman und Sin-Itiro Tomonaga unabhängig voneinander die Technik der Renormierung postulierten, die die Etablierung einer robusten Quantenelektrodynamik (QED) ermöglichte.
In der Zwischenzeit verbreiteten sich neue Theorien über fundamentale Teilchen mit dem Aufkommen der Idee der Quantisierung von Feldern durch „Austauschkräfte“, die durch einen Austausch kurzlebiger „virtueller“ Teilchen reguliert werden, die gemäß den Gesetzen existieren durften, die die inhärenten Unsicherheiten in der Quantenwelt regeln. Insbesondere schlug Hideki Yukawa vor, dass die positiven Ladungen des Kerns durch eine starke, aber kurzreichweitige Kraft zusammengehalten werden, die durch ein Teilchen mit einer Masse zwischen der des Elektrons und der des Protons vermittelt wird. Dieses Teilchen, das „Pion“ wurde 1947 als Teil einer Reihe von Teilchen identifiziert, die nach dem Zweiten Weltkrieg entdeckt wurden. Ursprünglich wurden solche Teilchen als ionisierende Strahlung gefunden, die von der kosmischen Strahlung zurückgelassen wurde, doch zunehmend wurden sie in neueren und leistungsstärkeren Teilchenbeschleunigern erzeugt.
Außerhalb der Teilchenphysik waren zu dieser Zeit folgende bedeutende Fortschritte zu verzeichnen:
Die Erfindung des Lasers (Nobelpreis für Physik 1964); die theoretische und experimentelle Erforschung der Supraleitung, insbesondere die Erfindung einer Quantentheorie der Supraleitung durch Vitaly Ginzburg und Lev Landau (Nobelpreis für Physik 1962) und später deren Erklärung durch Cooper-Paare (Nobelpreis für Physik 1972). Das Cooper-Paar war ein frühes Beispiel für Quasiteilchen.
Einheitliche Feldtheorie
Einstein war davon überzeugt, dass alle grundlegenden Wechselwirkungen in der Natur in einer einzigen Theorie erklärt werden können. Einheitliche Feldtheorien waren zahlreiche Versuche, mehrere Wechselwirkungen zu „verschmelzen“. Eine von vielen Formulierungen solcher Theorien (sowie Feldtheorien im Allgemeinen) ist eine Eichtheorie, eine Verallgemeinerung der Idee der Symmetrie. Schließlich gelang es dem Standardmodel, starke, schwache und elektromagnetische Wechselwirkungen zu vereinheitlichen. Alle Versuche, die Gravitation mit etwas anderem zu vereinen, scheiterten.
Das Standardmodell .
Als Chien-Shiung Wu in ihrem Experiment die Parität schwacher Wechselwirkungen durchbrach, kam es zu einer Reihe von Entdeckungen. Die Wechselwirkung dieser Teilchen durch Streuung und Zerfall lieferte einen Schlüssel für neue grundlegende Quantentheorien. Murray Gell-Mann und Yuval Ne'eman brachten Ordnung in diese neuen Teilchen, indem sie sie nach bestimmten Eigenschaften klassifizierten, beginnend mit dem, was Gell-Mann als „Achtfacher Weg“ bezeichnete. Während seine Weiterentwicklung, das Quark-Modell, zunächst für die Beschreibung starker Kernkräfte unzureichend schien, während die Etablierung der Quantenchromodynamik in den 1970er Jahren den vorübergehenden Aufstieg konkurrierender Theorien wie der S-Matrix ermöglichte, wurde eine Reihe von Grund- und Austauschteilchen fertiggestellt, die die Etablierung eines „Standardmodells“ auf der Grundlage der Mathematik der Eichinvarianz ermöglichte, das alle Kräfte außer der Gravitation erfolgreich beschrieb und in seinem Anwendungsbereich weiterhin allgemein anerkannt ist.
Das auf der Yang-Mills-Theorie basierende Standardmodell gruppiert die Theorie der elektroschwachen Wechselwirkung und die Quantenchromodynamik in einer Struktur, die durch die Eichgruppe SU(3)×SU(2)×U(1) bezeichnet wird. Die Formulierung der Vereinheitlichung der elektromagnetischen und schwachen Wechselwirkungen im Standardmodell geht auf Abdus Salam, Steven Weinberg und später Sheldon Glashow zurück. Die elektroschwache Theorie wurde später experimentell bestätigt (durch Beobachtung neutraler schwacher Ströme), und 1979 ausgezeichnet mit dem Nobelpreis für Physik.
Seit den 1970er Jahren lieferte die fundamentale Teilchenphysik Einblicke in die frühe Kosmologie des Universums, insbesondere in die Urknalltheorie, die als Folge von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie vorgeschlagen wurde. Ab den 1990er Jahren brachten astronomische Beobachtungen jedoch auch neue Herausforderungen mit sich, etwa die Notwendigkeit neuer Erklärungen für die galaktische Stabilität („dunkle Materie“) und die scheinbare Beschleunigung der Expansion des Universums („dunkle Energie“).
Während Beschleuniger die meisten Aspekte des Standardmodells bestätigt haben, indem sie die erwarteten Teilchenwechselwirkungen bei verschiedenen Kollisionsenergien detektierten, wurde noch keine Theorie gefunden, die die Allgemeine Relativitätstheorie mit dem Standardmodell in Einklang bringt, obwohl viele Theoretiker die Supersymmetrie und die Stringtheorie als vielversprechenden Weg in die Zukunft betrachteten. Der Large Hadron Collider, der 2008 seinen Betrieb aufnahm, konnte jedoch keinerlei Beweise finden, die die Supersymmetrie und die Stringtheorie stützen würden.
Kosmologie
Man kann sagen, dass die Kosmologie mit der Veröffentlichung von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie im Jahr 1915 zu einer ernsthaften Forschungsfrage geworden ist, obwohl sie erst in der Zeit, die als „Goldenes Zeitalter der allgemeinen Relativitätstheorie“ bekannt ist, in den wissenschaftlichen Mainstream gelangte.
Ungefähr ein Jahrzehnt später, mitten in der sogenannten „Großen Debatte“, entdeckten Hubble und Slipher in den 1920er Jahren die Expansion des Universums, indem sie die Rotverschiebungen von Doppler-Spektren galaktischer Nebel maßen. Unter Verwendung von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie formulierten Lemaître und Gamow die sogenannte Urknalltheorie. Ein Rivale, die sogenannte Steady-State-Theorie, wurde von Hoyle, Gold, Narlikar und Bondi entwickelt.
In letzter Zeit sind die Probleme der Dunklen Materie und Dunklen Energie ganz oben auf die Agenda der Kosmologie gerückt.