Wissenschaftliche Theorien: Von der Antike bis zur Relativität

Grundlagen wissenschaftlicher Theorien

Eine wissenschaftliche Theorie ist eine Sammlung von Ideen und Hypothesen (Annahmen), die zwei Bedingungen erfüllt: Sie muss mit Beobachtungen oder aufgezeichneten Daten übereinstimmen und darf grundlegenden Konzepten nicht widersprechen. Etwa 2000 Jahre lang, von Aristoteles bis zur Reise des Kolumbus in die Neue Welt, glaubte man, dass die Erde der Mittelpunkt des Universums sei (die geozentrische Theorie). Der Übergang zur kopernikanischen heliozentrischen Theorie, die besagt, dass die Sonne das Zentrum ist, um das die Erde kreist, wird als Kopernikanische Revolution bezeichnet.

Die Kopernikanische Revolution

Kopernikus' astronomisches Modell, das die Sonne in den Mittelpunkt stellte, wurde nicht innerhalb weniger Jahre vollständig entwickelt und musste 150 Jahre auf seine vollständige Anerkennung warten. Seine Grundlagen wurden durch die Arbeiten von Galileo und Kepler weiterentwickelt und von Newton geprägt, was schließlich zur Bildung einer sogenannten wissenschaftlichen Revolution führte. Die heliozentrische Theorie war erfolgreich, weil sie anpassungsfähig war. So konnte Kepler das Konzept der elliptischen Umlaufbahnen übernehmen, ohne die grundlegende Idee der heliozentrischen Theorie des Kopernikus zu verwerfen.

Newtons Gesetze und die Kosmische Mechanik

Der Engländer Newton erkannte, dass das Sonnensystem ein Mechanismus ist, der nach seinem Gesetz der universellen Gravitation funktioniert: Er ermittelte, dass die Bewegung der Materie durch die Schwerkraft bestimmt wird, was die Grundlage der kosmischen Mechanik bildet. Newton postulierte auch die Existenz eines kosmischen Äthers als Bezugsrahmen, in dem Raum und Zeit absolut, sicher und unbeweglich sind, und auf dessen Grundlage man die Positionen, Zeitpunkte und Bewegungen der Körper mit absoluter Genauigkeit bestimmen kann. Die Physik ist die Wissenschaft par excellence, und Newtons Gesetze gelten als ein gewaltiges Werk menschlicher Leistungsfähigkeit. Die Physik besagt, dass das Universum dank Energie ständig in Bewegung ist. Diese Energie tritt in verschiedenen Formen auf (potenzielle Energie, kinetische Energie, elektrische Energie usw.), die ineinander umgewandelt werden können. Ähnlich wie es eine begrenzte Menge an Materie gibt, gibt es auch eine begrenzte Menge an Energie, was im Erhaltungsprinzip ausgedrückt wird: Energie kann weder erzeugt noch vernichtet werden, sondern nur von einer Form in eine andere umgewandelt werden und in verschiedenen Wechselwirkungen auftreten.

Energieerhaltung und Entropie

Die Spontaneität einer Umwandlung eines Materials wird durch die Größe Entropie gekennzeichnet, ein Maß für die Unordnung eines Systems. Materielle Systeme in der Natur entwickeln sich von einem geordneteren zu einem ungeordneteren Zustand, wobei die Teilchen im System eine zufällige Verteilung anstreben. Systeme und Prozesse in der Natur sind mit einer Erhöhung der Entropie verbunden. Dieser Anstieg wird durch die Gesetze der Wahrscheinlichkeit und Statistik geregelt.

Einsteins Relativitätstheorie

In der zweiten Hälfte des neunzehnten Jahrhunderts führte die Erklärung des Schotten James Clerk Maxwell, dass Licht eine elektromagnetische Strahlung ist, die sich mit einer Geschwindigkeit von 300.000 km/s ausbreitet, zur Notwendigkeit, die Hypothese der Existenz eines kosmischen Äthers als absolute Referenz zu überdenken.

Im Jahre 1905 veröffentlichte Einstein seinen Artikel zur speziellen Relativitätstheorie, in dem er postulierte, dass die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum eine endliche universelle Konstante von 300.000 km/s ist, und die Hypothese der Existenz eines Äthers als räumlichen Bezugsrahmen verwarf. Die wichtigsten Folgen der speziellen Relativitätstheorie sind:

• Zeitdilatation: Eine scheinbare Verlangsamung der Zeit für zwei Beobachter, die sich mit nahezu Lichtgeschwindigkeit zueinander bewegen.
• Längenkontraktion: Eine scheinbare Verkürzung der Länge für zwei Beobachter, die sich mit nahezu Lichtgeschwindigkeit zueinander bewegen.
• Äquivalenz von Masse und Energie: Diese hat weitreichende Auswirkungen in der Kernphysik, da ein Massenverlust (m) eines Materials zu einer großen Energiemenge (E) führt, ausgedrückt durch die Gleichung: E = mc², wobei c die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum ist.

Nach der Veröffentlichung der speziellen Relativitätstheorie entwickelte Einstein die allgemeine Relativitätstheorie für Systeme, die beschleunigen oder abbremsen.