Zwischen Wissenschaft und Legende: Galileis Experiment vom Turm von Pisa

Der Glockenturm der Kathedrale Santa Maria Assunta in Pisa, der allgemein als schiefer Turm bekannt ist, ist das Wahrzeichen der Stadt und Italiens im Allgemeinen. Sein Ruhm ist grenzenlos, und er soll auch der berühmte Schauplatz und das Labor eines wichtigen Experiments des Pisaner Wissenschaftlers Galileo Galilei gewesen sein.

Es handelt sich dabei um dasExperiment des Gravi oder den Fall des Gravi, bei dem bis heute umstritten ist, ob es tatsächlich durchgeführt wurde oder ob es sich lediglich um eine gedankliche Spekulation handelt. Das Experiment basierte auf einer Theorie des Philosophen Aristoteles, der im 4. Jahrhundert v. Chr. in Athen Erklärungen für zahlreiche physikalische Phänomene formulierte; eine seiner grundlegenden Thesen lautete, dass es keine Wirkung ohne Ursache gibt und somit auch keine Bewegung ohne eine bewegende Kraft. Aristoteles behauptete, dass die Geschwindigkeit eines Objekts proportional zur Antriebskraft und umgekehrt proportional zum Widerstand des Mediums ist.

Wendet man diese Überlegungen auf fallende Körper an, so kommt der Philosoph zu dem Schluss, dass verschiedene Körper mit unterschiedlicher Geschwindigkeit fallen, und zwar umso schneller, je größer das Gewicht ist. Diese Aussage stimmte mit dem tatsächlich beobachteten Phänomen überein und blieb lange Zeit ein Glaubenssatz, der sich auch heute noch großer Beliebtheit erfreut.

Tatsächlich handelte es sich jedoch um eine falsche Theorie, die bereits im 6. Jahrhundert n. Chr. von dem byzantinischen Philosophen Johannes Philoponus kritisiert wurde, und dann im 16. und 17. Der Intellektuelle Benedetto Varchi hatte die aristotelische Idee bereits 1544 in Frage gestellt, als er seine Abhandlung Questione sull’alchimia veröffentlichte: “[...Obwohl es die Gewohnheit der modernen Philosophen ist, immer alles zu glauben und nie zu beweisen, was bei guten Autoren und besonders bei Aristoteles geschrieben steht, ist es doch nicht so, dass es nicht sicherer wäre, und mehr Es ist aber nicht so, dass es nicht sicherer und angenehmer wäre, etwas anderes zu tun und in manchen Dingen zur Erfahrung herabzusteigen, wie z.B. bei den Verben der Gnade in der Bewegung der ernsten Dinge, bei denen Aristoteles und alle anderen Philosophen, ohne je daran zu zweifeln, geglaubt und behauptet haben, dass sie umso schneller herabsteigen, je ernster eine Sache ist, was der Beweis nicht beweist. [...]”.

Es dauert jedoch bis Galileo Galilei , bis die aristotelische Sichtweise endgültig widerlegt ist. Der damals junge Wissenschaftler hatte zwischen 1589 und 1592 den Lehrstuhl für Mathematik an der Universität seiner Stadt inne, und als Lehrer zeigte er sofort seinen pädagogischen Ansatz gegen das Dogma: "Die Methode, der wir folgen werden, wird die sein, das Gesagte von dem Gesagten abhängig zu machen, ohne das zu Erklärende jemals als wahr anzunehmen. Diese Methode wurde mir von meinen Mathematikern beigebracht, während sie von bestimmten Philosophen nicht genügend beachtet wird, wenn sie physikalische Elemente lehren... Folglich wissen diejenigen, die lernen, niemals die Dinge von ihren Ursachen her, sondern glauben sie nur im Glauben, das heißt, weil Aristoteles sie gesagt hat. Wenn also wahr ist, was Aristoteles gesagt hat, gibt es nur wenige, die nachforschen; es genügt, dass sie als gelehrter gelten, weil sie mehr aristotelische Texte in der Hand haben [...] ob eine These der Meinung vieler widerspricht, ist mir völlig gleichgültig, solange sie der Erfahrung und der Vernunft entspricht.

Und es war während seiner Pisaner Zeit, als Galilei De motu antiquiora verfasste. In dem Text, der lange Zeit als Manuskript erhalten blieb und erst im 19. Jahrhundert gedruckt wurde, stellte Galilei seine Vorlesungen über das Problem der Bewegung zusammen und begann, seine Formulierungen zur Gravitationstheorie zu konkretisieren. Es ist bis heute umstritten, ob es sich dabei nur um eine gedankliche Übung handelte oder ob er, wie es heißt, den Turm von Pisa tatsächlich als Laboratorium benutzte.

Es war Vincenzo Viviani, sein Lieblingsschüler und Biograph, der über das Experiment in seinem Werk Racconto istorico della vita di Galileo Galilei schrieb: “und dann, zum großen Entsetzen aller Philosophen, wurden viele von Aristoteles’ eigenen Schlussfolgerungen zum Thema der Bewegung, die bis dahin als absolut klar und unzweifelhaft galten, von ihm durch Erfahrung und mit handfesten Beweisen und Reden von der Falschheit überzeugt; wie unter anderem, dass die Geschwindigkeiten von Bewegungen derselben Materie, die ungleich schwer sind und sich mit denselben Mitteln bewegen, nicht das Verhältnis ihrer Schwerkraft beibehalten im Gegenteil, dass sie sich alle mit gleicher Geschwindigkeit bewegen, was durch wiederholte Experimente bewiesen wurde, die von der Höhe des Campanile von Pisa aus unter Mitwirkung der anderen Leser und Philosophen und der gesamten Schule durchgeführt wurden; und dass wedernoch die Geschwindigkeiten desselben Bewegers mit verschiedenen Mitteln das reziproke Verhältnis der Widerstände oder Dichten derselben Mittel beibehalten, und dies aus den offenkundigen Absurditäten schließen, die sich daraus gegen den Sinn selbst ergeben würden”.

Aber das berühmte Experiment mit den “gravi”, das der Überlieferung und dem Biographen zufolge vom Turm von Pisa aus durchgeführt worden sein soll, wird fast einhellig als bloße Legende betrachtet, und selbst wenn es durchgeführt worden wäre, hätte es die galileische These offensichtlich widerlegt, denn, wie Denn, wie Galilei selbst bewusst feststellte, “nur ein der Luft und allen anderen Körpern vollständig entzogener Raum” könnte die Wahrheit seiner Behauptung beweisen, doch gab es zu jener Zeit weder Räume noch Pumpen, die den Luftwiderstand abziehen konnten. Obwohl ein solches Experiment zu dieser Zeit nicht durchführbar war, konnte der Wissenschaftler das Phänomen mit verschiedenen Ansätzen sowohl logisch als auch empirisch untersuchen.

Galilei, der behauptete, dass unterschiedliche Gewichte mit der gleichen Geschwindigkeit fallen, führte eine erfolgreiche Untersuchung durch, die die aristotelische Formulierung in Frage stellte, da diese Widersprüche enthielt, auf die der Pisaner Wissenschaftler hingewiesen hatte. Unter der Annahme, dass Aristoteles’ Theorie wahr ist, d.h. dass ein leichter Körper langsamer fällt als ein schwerer, müssten sie, wenn sie aneinander gebunden wären, mit der Durchschnittsgeschwindigkeit zwischen den beiden fallen, da der schwere Körper durch den leichten gebremst würde. Würden die beiden Körper jedoch zusammengefügt, entstünde ein noch schwereres drittes Objekt, dessen Fallbewegung beschleunigt werden müsste. Dieses Paradoxon mit einem offensichtlichen Widerspruch zwischen den Fallzeiten führt dazu, dass man die aristotelische Annahme für unmöglich und daher für falsch hält.

Galilei unterstrich dieses Konzept später in einem Experiment, das er durchgeführt haben will, um den Fall einer Artilleriekugel mit dem einer Musketenkugel zu vergleichen. Der Einfachheit halber fassen wir dieses Experiment unter Verwendung anderer Maßeinheiten als der von Galilei vorgeschlagenen zusammen. Nehmen wir an, dass die Artilleriekugel zehnmal schwerer ist als das Geschoss; wird sie zur gleichen Zeit aus der gleichen Höhe von 100 Metern geworfen, müsste die schwerere Kugel nach der aristotelischen Formel auf dem Boden aufschlagen, während das Geschoss nur zehn Meter zurückgelegt hätte. Galilei wies jedoch darauf hin, dass der Abstand zwischen dem Auftreffen der beiden Kugeln auf dem Boden minimal war.

Während es Galilei zu seiner Zeit unmöglich war, das “gravi”-Experiment korrekt durchzuführen, wiederholte es der Astronaut Dave Scott einige Jahrhunderte später, im Jahr 1971, in einer Form von großer szenografischer Wirkung: Während der Apollo 15-Mission ließ er einen Hammer und eine Feder gleichzeitig auf die Mondoberfläche fallen, die aufgrund der fehlenden Atmosphäre gleichzeitig auf dem Boden aufschlugen, was bewies, dass der pisanische Wissenschaftler gar nicht so falsch gelegen hatte.

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