mini|Galileo Galilei: Oft als Begründer der Physik angesehen.
Die Geschichte der Physik als einer eigenständigen Naturwissenschaft begann Anfang des 17. Jahrhunderts mit der Einführung der experimentellen Methode der wissenschaftlichen Erkenntnisfindung, im Wesentlichen durch Galileo Galilei. Er und andere Begründer der Physik bezogen sich noch vielfach auf überlieferte Schriften der Antike. Diesen stellten sie aber eigene Beobachtungen entgegen, die sie in sorgfältig geplanten und mit mathematischen Methoden ausgewerteten Experimenten gewonnen hatten. Zudem forderten sie für die so gewonnenen Ergebnisse den Vorrang vor rein philosophisch oder theologisch begründeten Aussagen über die Natur.
Bis Ende des 19. Jahrhunderts entwickelte sich die klassische Physik: Zuerst, aufbauend auf dem Werk von Isaac Newton, die Klassische Mechanik, die sich mit der Bewegung und Wechselwirkung von Körpern beschäftigt. Zuletzt die Elektrodynamik, nachdem James Clerk Maxwell eine Theorie gefunden hatte, die alle elektrischen und magnetischen Effekte in einheitlicher Weise beschreibt. Nach und nach gelang es, fast alle damals bekannten Phänomene auf diese beiden Grundlagen zurückzuführen. Insbesondere wurde Hitze in der Thermodynamik als ungeordnete Bewegung von Teilchen, und Licht in der Optik als elektromagnetische Welle verstanden. Experimentelle Befunde, darauf aufbauende Theorien sowie Erkenntnisse aus der Chemie ließen den Aufbau der Materie aus Atomen erkennen.
Anfang des 20. Jahrhunderts kam es, ausgelöst durch die spezielle und die allgemeine Relativitätstheorie von Albert Einstein einerseits, sowie die Quantenphysik andererseits, zu einem Paradigmenwechsel. Die damals beginnende moderne Physik baut auf Begriffen von Raum, Zeit und Materie auf, die grundlegend anders sind als die der klassischen Physik, wobei deren bewährte Ergebnisse jedoch vollständig erhalten bleiben. Damit erweiterte und vertiefte sich das Wissen sowohl im mikroskopisch Kleinen (Teilchen-, Kern- und Atomphysik) als auch im astronomisch Großen (Astrophysik und Kosmologie). Vor allem mit der Festkörperphysik und der Laserphysik lieferte und liefert die moderne Physik außerordentlich wichtige Grundlagen für technische Anwendungen in den verschiedensten Lebensbereichen.
Die Quantenphysik und die Relativitätstheorie bilden heute die Grundpfeiler des physikalischen Weltbilds.
Vorgeschichte der Physik
Antike Die griechische Naturphilosophie griff mesopotamische und ägyptische Kenntnisse auf und suchte nach grundlegenden Erklärungsprinzipien. Einzelne Sachverhaltsbeschreibungen wurden bereits mathematisiert. Eine experimentelle Methodik war jedoch noch nicht etabliert.
Die ionische materialistische Naturphilosophie eines Thales, Anaximander, Anaximenes, Heraklit erwarb Kenntnisse über Naturphänomene wie Ab- und Zunahme der Luftdichte, den Aufstieg warmer Luft, magnetische Anziehung und Bernsteinreibung.Schreier 1990, 451
Empedokles begründete die lange Zeit maßgebliche Lehre von vier Elementen. Leukippos und Demokrit führten die von Epikur weiterverfolgte Atomhypothese ein: alles besteht aus kleinsten Teilchen, die selbst nicht teilbar oder intrinsisch wandelbar sind und deren Zusammensetzung den Wandel der Phänomene erklärt.
Im heutigen Gebiet der Optik entwickelten die griechischen Philosophen Pythagoras, Demokrit, Empedokles und andere mehrere Theorien des Lichts. Euklid entwickelte sie nach dem von ihm entworfenen Ideal der Geometrie weiter und untersuchte insbesondere die Spiegelung mathematisch. Ptolemaios folgte ebenfalls diesem mathematischen Methodenideal und maß u. a. die Lichtbrechung durch Experimente. Heron von Alexandria versuchte, das Reflexionsgesetz und die Lichtbrechung dadurch zu erklären, dass das Licht den kürzesten Weg zwischen zwei Punkten nimmt.
Bei den in der Legende von Pythagoras in der Schmiede beschriebenen Zahlenverhältnissen von Wohlklängen handelt es sich um das erste konkret und quantitativ beschriebene Naturgesetz, ohne dass jedoch klar ist, wie man zu diesem Gesetz gelangt ist.Károly Simonyi: Kulturgeschichte der Physik. Kapitel „Mystik und Mathematik: Pythagoras“. Verlag Harri Deutsch, Thun/Frankfurt am Main 1990, S. 61–66.
Platon nahm immaterielle Urbilder an und versuchte, damit Bewegung und Gravitation zu erklären. Im Timaios entwickelte er Ansätze einer Kosmologie. Nach der Ontologie des Aristoteles ist die Identität und der Wandel der Objekte durch das Arrangement zweier Grundprinzipien erklärbar, Form und Materie. Er nahm vier Ursachen an, unter welchen die Bewegungsursache nur eine ist (neben Ziel, Form und Materie). Seine Bewegungslehre ist eine Vorform der klassischen Dynamik. Auch sonst beschrieb er Naturphänomene eher materialistisch. Aristoteles hat diverse physikalische und sonstige naturwissenschaftliche Studien betrieben und Werke oder Vortragsnotizen u. a. über die Physik, den Himmel, das Wetter, Entstehen und Vergehen, Fragen der Mechanik zusammengestellt.
Mit seinem Werk Physik prägte Aristoteles den Begriff „Physik“ (alles natürlich Gewachsene im Gegensatz zu Artefakten); sein Werk beschreibt die Natur nicht im heutigen Sinne mathematisch.
Darüber hinaus bestand ein ausgeprägtes Anwendungsinteresse, das Erfinder wie Ktesibios, Philon von Byzanz oder Heron prägte, die hydraulische, pneumatische und mechanische Phänomene nutzten. Archimedes beschrieb um 250 v. Chr. den statischen Auftrieb und die Hebelgesetze. Er bestimmte den Schwerpunkt von Flächen und Körpern und mathematisierte nach dem Vorbild des Euklid Statik und Hydrostatik.
Mittelalter und Renaissance Zahlreiche antike und frühmittelalterliche Kompendien überliefern die physikalischen Kenntnisse der antiken Wissenschaftler.
Im arabischen Kulturraum sind u. a. die Zusammenstellungen und Kommentierungen von Avicenna und Averroes wichtig, die auch für die im 12. und 13. Jahrhundert erfolgende Rezeption antiken Wissens im lateinischen Westen bedeutsam werden.
Insgesamt hat sich das bei Aristoteles stark ausgeprägte Interesse an einer Ausweitung physikalischer Einzelerkenntnisse und ihrer zusammenfassenden Systematisierung im lateinischen Westen über längere Zeit hin verloren. Stattdessen überwiegt ein Interesse an der Natur als Zeichen für den göttlichen Willen und daher einer Quelle der Offenbarung, wie etwa schon in der Bibelauslegung des Augustinus um das Jahr 400.Vgl. De Genesi ad litteram, De civitate Dei 21, 8; Donati/Speer.
Ein Interesse an der Natur im Sinne empirischer Erklärungssuche wird Anfang des 12. Jahrhunderts rudimentär greifbar, etwa bei Adelard von Bath, der die Natur nicht mehr als „Buch“ göttlicher Zeichen versteht, sondern in seinen Quaestiones naturales biologische, physiologische, kosmologische und klimatologische Phänomene beschreibt und sich nicht auf Buchwissen, sondern Beobachtung, experimentum, stützt, ohne dies freilich methodologisch auszuarbeiten.Donati/Speer mit Verweis auf Quaest. nat. 6 und 22
Robert Grosseteste entwickelt im Anschluss an die platonische geometrische Weltbetrachtung eine Lichttheorie, welche die quantitative, qualitative, räumliche und substantielle Bewegung auf Lichtgesetze zu reduzieren versucht (De motu corporali et luce und De lineis). Damit wird die Optik (bei Robert scientia perspectiva) eine „Modellwissenschaft“.Donati/Speer Auch Roger Bacon will alle Naturkausalität als Wirkung energetischer Strahlung erklären.Opus maius, Teil 4, nach Donati/Speer Witelo gibt der Optik einen ähnlich zentralen Rang in seiner Übertragung und Erklärung der Perspectiva von Ibn al-Haitham.Donati/Speer Die ähnlich angelegte Perspectiva communis Johannes Peckhams wird noch von Lorenzo Ghiberti und Leonardo da Vinci verwendet.Donati/Speer
Kurz vor Mitte des 14. Jahrhunderts arbeitet Nikolaus von Autrecourt eine scharfe Kritik am Wissenschaftsstatus metaphysischer Ansprüche auf Erkenntnis und Disziplinprimat aus. Parallel erfordert und ermöglicht die merkantile und technische Entwicklung des 14. Jahrhunderts eine Quantifizierung der Natur und eine Kritik der aristotelischen Bewegungslehre, d. h. allgemein der Verursachungslehre. Dem widmen sich etwa Franz von Marchia und Johannes Buridan, der Begründer der sog. Impetustheorie,Enrico Giannetto: The impetus theory: Between history of physics and science education. In: Science & Education. 2/3 (1993), S. 227–238. . den Pierre Duhem einen „Vorläufer Galileis“ nennt.Hier nach Flasch, Das philosophische Denken im Mittelalter, Stuttgart: Reclam 2000, 543 Diese Theorie bleibt lange Zeit maßgeblich, bis sie durch die Trägheitstheorie abgelöst wird. Nikolaus von Oresme, Albert von Rickmersdorf und Marsilius von Inghen entwickeln sie weiter, nur in Oxford begegnet man ihnen mit Zurückhaltung (Thomas Bradwardine) oder Ablehnung (Richard Swineshead).Donati/Speer Die beiden letztgenannten gehören mit Johannes Dumbleton und William Heytesbury zu den sog. „Oxford Calculators“ am Merton College, die eine allgemeine Mathematisierung der Naturbeschreibung versuchen.
Nikolaus von Oresme nimmt auch sonst viele Anregungen Buridans auf und entwickelt sie z. B. unter Berufung auf das Prinzip der Denkökonomie zu der These weiter, dass die Annahme der Erdrotation ebenso durchführbar sei, wie die überkommene Vorstellung einer Rotation der Sonne um die Erde. Ebenso wird die aristotelische Zweiteilung der Physik in eine Welt über und unter dem Mond von ihm in Frage gestellt, die Relativität aller Bewegungszuschreibungen erkannt und ein Koordinatensystem eingeführt, das quantitativ genaue Beschreibungen qualitativer Veränderungen erlaubt.Vgl. Flasch, 545 Im Gefolge dieser Ansätze steht zu Anfang des 15. Jahrhunderts z. B. Biagio Pelacani da Parma,Vgl. Flasch, 569–572 zur Mitte des 15. Jahrhunderts beispielsweise Nikolaus von Kues, dessen Versuche mit der Waage quantitative Verfahren für die Medizin beschreiben und als exemplarisch für die Interessen der Frührenaissance gelten können.
Der wohl bekannteste Naturforscher der Renaissance, Leonardo da Vinci (geb. 1452), hat sich vor allem aus praktischen Motiven als Maler und Ingenieur für Optik, Wasserbewegungen, Kraftübertragung und Vogelflug interessiert und dabei genaue Beobachtungen der Natur durchgeführt.
Klassische Physik
16. und 17. Jahrhundert Die Überwindung der vorherrschenden Vorstellungen begann in der Astronomie der Neuzeit mit Nikolaus Kopernikus (De revolutionibus orbium coelestium, 1543) und dem heliozentrischen Weltbild. Unterstützung fand dieses Modell, nachdem Johannes Kepler das Beobachtungsmaterial von Tycho Brahe ausgewertet hatte und insbesondere Galileo Galilei mit dem Fernrohr die beobachtende Astronomie revolutionierte.
Um 1600 begründete William Gilbert mit seinen Experimenten die Lehre des Magnetismus und der Elektrostatik und konnte als erster zeigen, dass es sich dabei um verschiedene Phänomene handelte. Außerdem war er der erste, der die Gestalt des Erdmagnetfeldes richtig erkannte.