4. Galileis „neue Wissenschaft“

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7. Galilei und die Bewegung der Erde
GALILEO GALILEI (1564-1642): Einer der Begründer der neuzeitlichen Naturwissenschaft.
– Entdeckung des Fallgesetzes als Grundlage einer neuen Wissenschaft der Bewegung.
– Physik als messende, experimentierende und mathematisierte Disziplin: „Neue Wissenschaft“
– Eintreten für das heliozentrische Weltsystem: „Märtyrer der Wissenschaft“
7.1 Frühe Laufbahn und astronomische Entdeckungen
Galileo Galilei, lat. Galilaeus Galilaeus.
* Pisa, 15. Februar 1564.
1581
1589
1592-1610
1604
1609
1610
Studium der Medizin an der Universität Pisa.
Faktisch mathematische Studien
Professor für Mathematik in Pisa.
Professor für Mathematik an der renommierten Universität Padua.
Formulierung des Fallgesetzes
Ableitung des Fallgesetzes aus der
Proportionalität von Fallgeschwindigkeit und Fallzeit.
Übersiedlung nach Florenz; Professur in Pisa.
Die astronomischen Entdeckungen
Januar 1610: Galilei richtet das Fernrohr auf den Sternenhimmel.
März 1610: Veröffentlichung des Sidereus Nuncius.
Vier Entdeckungen:
(1) Die Zahl der Sterne ist sehr viel größer, als man zuvor annahm.
(2) Die Milchstraße und die kosmischen Nebel bestehen aus Sternen.
(3) Die Mondoberfläche ist von erdähnlicher Beschaffenheit.
(4) Der Jupiter wird von vier Satelliten umkreist.
Die Mondbeobachtungen
Erde und Mond sind nach Gestalt und Oberflächenbeschaffenheit einander ähnlich: Der Mond ist
irdischer Natur.
Die Erde ist eine Quelle von Licht und Strahlenglanz: Die Erde ist ein Himmelskörper wie der
Mond.
=> Gleichartigkeit von Erde und Mond.
=> Sublunare und supralunare Welt sind von gleicher Beschaffenheit.
Die Entdeckung der Jupitermonde
Die Entdeckung der Jupitermonde beseitigt die Ausnahmerolle des Erdmondes.
Nicht alle Himmelskörper kreisen um die Erde.
Zuverlässigkeit der Teleskopbeobachtungen zweifelhaft:
– Verzerrungen des Bildes nach Form und Farbe
– keine Erklärung für die Funktionsweise des
Instruments.
=> Einwand: Galileis Erscheinungen als Artefakte.
Tatsächlich Ablehnung einiger Aristoteliker, einen Blick durch das Fernrohr zu werfen.
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Jedoch:
Schwerpunkt der Debatte weniger bei der Zuverlässigkeit von Galileis Beobachtungen, sondern
eher bei der Richtigkeit von Galileis pro-Copernicanischen Schlussfolgerungen.
Insgesamt keine gänzliche Zurückweisung der astronomischen Anwendung des Teleskops.
Stattdessen: Streit um die Beweiskraft der Befunde.
7.2 Galileis astronomische Argumente für Copernicus
Argumente für die heliozentrische Theorie:
(1) Entkräftung anti-Copernicanischer Einwände.
(2) Venusphasen als Beweis für den Sonnenumlauf der Venus.
(3) Sonnenflecken als Indiz für die Zentralstellung der Sonne.
(4) Gezeiten als Beweis für die Bewegung der Erde.
7.2.1 Die Entkräftung anti-Copernicanischer Einwände
(1) Der lotrechte Fall auf der bewegten Erde
Ausschluss einer lotrechten Fallbewegung auf der bewegten Erde durch Aristotelische Physik und
Impetustheorie.
Galileis neuartige Prinzipien:
– Horizontales Trägheitsprinzip: Horizontalbewegung als Trägheitsbewegung.
– Orthogonales Superpositionsprinzip: Ungestörte Überlagerung von aufeinander senkrecht
stehenden Bewegungen.
Galileis Zugang zum Trägheitsprinzip: Horizontale Ebene als Grenzfall zwischen einer abfallenden
und einer ansteigenden Ebene.
=> Kein Einflussfaktor für eine Änderung der Bewegung.
=> Ungeänderte Geschwindigkeit des Körpers.
Bei Fehlen äußerer Widerstände anhaltende Bewegung: Unaufhörlichkeit der Bewegung in der
Horizontalen.
=> Galileis Trägheitsbewegungen als reibungsfreie Bewegungen auf der glatten Erdoberfläche und
damit als Kreisbewegungen: „Prinzip der zirkularen Trägheit“.
Galilei: Vorrang der kreisförmigen vor der geradlinigen Bewegung.
Übertragung der Vorstellung der ewigen Kreisbewegung von der Bewegung der Himmelskörper
auf irdische Bewegungen.
Dabei zwar Überwindung der Scheidelinie zwischen sublunaren und supralunaren Bereichen, aber
anders als in Keplers Himmelsphysik:
Kepler: Antreibende Kräfte auch bei den Bewegungen der Himmelskörper.
Galilei: Kräftefreiheit auch bei irdischen Kreisbewegungen.
Galileis Superpositionsprinzip für Bewegungen: Ungestörte Überlagerung einer horizontalen und
einer vertikalen Bewegung.
Grund: Orthogonalität: Beide Bewegungen bilden keinen Gegensatz, sodass jede von ihnen
abläuft, als ob die andere fehlte.
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Übernahme des Aristotelischen Begriffsrahmens der Kontrarietät von Bewegungen, aber Auffüllen
mit neuem Inhalt: Umriss eines Bereichs „nicht-konträrer Bewegungen“ und Formulierung eines
neuartigen Superpositionsprinzips für diesen Bereich.
Verknüpfung des zirkularen Trägheitsprinzips und des orthogonalen Superpositionsprinzips zu
einem Relativitätsprinzip der Bewegung: Erdbewegung ohne beobachtbaren Einfluss auf die
Bewegungen auf der Erde.
Zirkulare Trägheit: Irdische Körper folgen ohne Einwirkung einer Kraft der Tagesrotation der
Erde.
Orthogonale Superposition: Kein Einfluss der Rotation der Erde auf lotrechte Fallbewegungen.
=> Erdbewegung nicht wahrnehmbar: Da die Erdrotation allen Körpern auf der Erde gemeinsam
ist, treten keine Relativbewegungen als deren Folge auf.
Galileis innovative Kraft in physikalischen Dingen:
Zwar Aristotelische Elemente: Natürlichkeit der Kreisbewegungen, Ansetzen an Kontrarietäten.
Aber auch Denkansätze, die sich als Keimzelle der klassischen Mechanik verstehen lassen:
Trägheitsprinzip, Superpositionsprinzip und Relativitätsprinzip.
(2) Die scheinbare Größe der Sterne
Tycho Brahe: Copernicanisch nehmen die Abmessungen der Sterne absurde Ausmaße an.
Fehlen der jährlichen Parallaxe der Fixsterne:
=> Große Entfernung
Mindestentfernung und Messung der scheinbaren Größe
=> Abschätzung der wirklichen Größe.
Tychos Resultat: Schwankung der Größe der Sterne zwischen der Ausdehnung der Erdbahn und
der Saturnbahn.
=> Widerlegung des Copernicanischen Systems.
Galileis Erwiderung: Überschätzung der scheinbaren Größe der Sterne, da der Strahlenkranz zur
Ausdehnung hinzugerechnet wurde.
=> Systematischer Fehler bei der Bestimmung der scheinbaren Größe der Sterne.
=> Haltlosigkeit der auf diese Werte gegründeten anti-Copernicanischen Einwände.
=> Scheinbare Größe zeigt keine Eigenschaft des Sterns an, sondern registriert lediglich
Störeinflüsse.
Plausibilität der zur Erklärung der fehlenden Fixsternparallaxe erforderlichen Annahme der riesenhaften Ausdehnung der Fixsternsphäre.
„Tu-quoque-Argument“: Die Anhänger des Ptolemäus müssten ebenfalls eine gewaltige
Ausdehnung des Kosmos vorsehen.
Galilei und die Fixsternsphäre
Bruno folgend weist Galilei die Sternensphäre zurück und nimmt unterschiedliche Entfernungen
der Sterne von der Sonne (und der Erde) an.
=> Galileis Vorschlag eines genaueren Verfahrens zur Messung der Fixsternparallaxe.
Unterschiedliche Größe der parallaktischen Verschiebung bei Sternen unterschiedlicher
Entfernung von der Erde.
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Vermutung: helle Sterne nah und leuchtschwache weit entfernt.
=> Relative stellare Verschiebungen durch die Erdbewegung.
(3) Die unzureichenden Helligkeitsschwankungen beim Mars
Helligkeitsschwankungen:
Ptolemäisches System: Begrenzte Helligkeitsschwankungen;
Copernicanisches System: Drastische Unterschiede.
Die Beobachtungsbefunde mit bloßem Auge favorisieren die Ptolemäische Erwartung.
Galilei: Im Fernrohr zeigen sich die heliozentrisch erwarteten Größen- und
Helligkeitsschwankungen.
Scheinbare Größe der Sterne und Planeten wesentlich durch sinnesphysiologische Effekte
bestimmt.
Durch die erhöhte Auflösung des Teleskops wird die volle Schwankungsbreite der Beobachtung
erschlossen.
=> Die Befunde stützten das Copernicanische System.
7.2.2 Venusphasen und Sonnenumlauf
Beschaffenheit der Venusphasen als Demonstration des Sonnenumlaufs der Venus.
Copernicanische Abweichung von Ptolemäus:
– Venus durchläuft den vollen Phasenzyklus;
– dieser Zyklus ist mit einer Variation der scheinbaren Größe verbunden.
Die von Galilei für besonders bedrohlich gehaltenen anti-Copernicanischen Einwände der
unzureichenden Helligkeitsschwankungen beim Mars und des Fehlens von Phasen bei der Venus
sind von Copernicus selbst überhaupt nicht bemerkt worden.
Galilei: „Venus imitatur figuras Lunae.“
Venusphasen als Widerlegung der Ptolemäischen Theorie, wenn auch nicht als Begründung für
den Heliozentrismus.
Vereinbarkeit mit dem Tychonischen System.
7.2.3 Sonnenflecken und Zentralstellung der Sonne
Galilei:
Bewegung der Sonnenflecken als Ausdruck der Rotation der Sonne.
Sonnenflecken als Argument für die Unvollkommenheit und damit Erdähnlichkeit der Sonne.
=> Himmel und Erde sind von gleicher Art.
Beschaffenheit der Bahnbewegung der Sonnenflecken auf der Oberfläche und insbesondere deren
saisonale Schwankungen:
=> Zentralstellung der Sonne.
Jahreszeitliche Verschiebungen:
Ausdruck der feststehenden Neigung der Sonnenachse gegen die Erdbahn und der jahreszeitlich
schwankenden Position des Beobachters.
Einzige zur Erklärung benötigte Annahme: Rotation der Sonne mit raumfester Achse.
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Schwierigkeit einer geozentrischen Erklärung:
Erfordernis, die jahreszeitlichen Veränderungen mit dem Fehlen täglicher Veränderungen in
Einklang zu bringen.
Geozentrisch: vierfältige Bewegung der Sonne:
– täglicher Umlauf.
– jährlicher Umlauf.
– tägliche kegelförmige Bewegung der Sonnenachse: Erklärung des Fehlens einer Tagesbewegung der Flecken.
– Saisonale Änderung des Öffnungswinkels des Rotationskegels: Erklärung der jahreszeitlichen
Bewegung der Sonnenflecken.
Allerdings heliozentrisch: Sonnenrotation und zweifache Bewegung der Erde.
Weiterer Beurteilungsgesichtspunkt Galileis: Physikalische Plausibilität der Bewegungen.
Hintergrund:
– Tychos Abschaffung der festen Planetensphären.
– Gilbert (1600): Raumfeste Orientierung der Erdachse durch Magnetismus.
=> Galilei: Copernicus’ „dritte Bewegung der Erde“ als Fehlen einer Bewegung.
=> Kein physikalischer Grund für einer veränderte Achsenneigung der Sonne.
(1) Stärker physikalische Orientierung des Copernicanismus.
(2) Aus konsequent traditioneller Perspektive warf die Erklärung der Bewegungen der
Sonnenflecken keine grundsätzlichen Schwierigkeiten auf.
7.2.4 Die Gezeiten und die Bewegung der Erde
Galileis Theorie der Gezeiten (1616) als direkter physikalischer Beweis der Bewegung der Erde.
Wichtigkeit der Gezeitentheorie: Auch bei instrumentalistischem Astronomieverständnis Eignung
für den Nachweis der Bewegung der Erde.
Ungleichförmige Bewegung der Erdoberfläche: Überlagerung zweier gleichförmiger
Kreisbewegungen.
Geschwindigkeit der Erdoberfläche:
– aus der täglichen Rotation
– aus der Bahnbewegung:
=> zu Zeiten gleich und zu Zeiten entgegengesetzt gerichtet.
=> Jeder Teil der Erdoberfläche erfährt im Verlauf seines täglichen Umlaufs abwechselnd eine
Beschleunigung und eine Verzögerung.
=> Schwankung der leicht beweglichen Wassermassen.
=> Gezeiten.
=> Direkter physikalischer Beweis der zweifachen Bewegung der Erde.
Nach Galileis Relativitätsprinzip empirische Folgenlosigkeit des täglichen Umlaufs der Erde: =>
Fraglich, wie dessen Zusammenwirken mit der Jahresbewegung solche Folgen haben kann.
=> Inkohärenz von Galileis Argumentation.
Allerdings: Kohärente Rekonstruierbarkeit im Rahmen der klassischen Mechanik.
Variable Überlagerung der mit Tages- und Jahresbewegung verbundenen Zentrifugalkräfte.
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=> Oszillation der resultierenden Zentrifugalkraft, die die Oberfläche der Weltmeere in zeitlichem
Wechsel deformieren könnte.
Galilei: Keplers Ansicht, die Gezeiten gingen auf die anziehende Wirkung des Mondes zurück,
beinhaltet die Annahme „okkulter Qualtitäten“ stellt eine „Phantasterei“ dar (1632, 464).
Einwand: Galileis Theorie führt nur auf einen einzigen Flutberg und entsprechend auf eine 24stündige Gezeitenperiode.
Galileis Erwiderung: Die genaue Periodizität hängt von sekundären Faktoren ab.
Überdies: Auch Keplers Rückführung der Gezeiten auf die Anziehung des Mondes führt auf eine
24-stündige Periode.
Galileis astronomische Argumente und das Tychonische System:
Dialog über die beiden hauptsächlichsten Weltsysteme: Ptolemäisches vs. Copernicanisches
System.
Jedoch: Um 1600 geriet das Ptolemäische System zunehmend ins Abseits und die Streitfrage betraf
daher in wachsendem Umfang den Gegensatz zwischen Copernicus und Tycho.
=> Bei der Publikation des Dialogo 1632 war das Ptolemäische System eines der „hauptsächlichsten“.
Das Tychonische System war weitgehend an dessen Stelle getreten.
Jedoch: Die meisten von Galileis anti-Ptolemäischen Argumenten sind gegen Tycho wenig
beweiskräftig.
Jupitermonde und Helligkeitsschwankungen der Planeten: Einklang mit dem Tychonischen
System.
Venusphasen: Zwar Unvereinbarkeit mit dem Ptolemäischen System, aber Beschaffenheit bei
Tycho wie bei Copernicus.
Sonnenfleckenargument: Trifft zwar Tycho, lässt sich aber geozentrisch kontern und zeigt dann
lediglich die größere Einfachheit der heliozentrischen Behandlung.
Sonderstellung des Gezeitenarguments:
als einziges Argument direkt auf den Nachweis der Bewegung der Erde gerichtet,
als physikalisches Argument nicht durch Verweis auf den astronomischen Instrumentalismus zu
kontern.
=> Im Grundsatz Beweiskraft gegen Tycho, da Ausschluss der Unbeweglichkeit der Erde.
Allein die Gezeitentheorie in der Debatte zwischen Copernicus und Tycho von Belang.
Was nicht als Argument gegen Tycho beweiskräftig war, taugte nicht als Argument für die
Bewegung der Erde.
Mangelnde Stichhaltigkeit von Galileis Gezeitentheorie.
Gegensatz zwischen den zentralen Botschaften des Zweiten und des Vierten Tags des Dialogo.
=> In dieser Hinsicht Inkohärenz von Galileis Bewegungslehre.
=> Galilei hatte keinen anerkannten Beweis für die Bewegung der Erde.
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7.3 Der Prozess gegen Galilei
Galileis juristische Probleme:
– Frucht persönlicher Querelen und verletzter Eitelkeiten.
– Inhaltliche Spannung zwischen dem kirchlichen Weltbild und dem heliozentrischen Weltsystem.
Paolo Antonio Foscarini (1615):
(1) Widerlegung des Ptolemäische System durch die Entdeckung der Venusphasen, sodass die Copernicanische „Meinung“ „nicht unwahrscheinlich“ ist.
(2) Auffassen aller scheinbar entgegen stehender Bibelstellen als Anpassung an die Fassungskraft
des einfachen Volkes.
„Erster Prozess“, Rom 1616:
– Förmliche Belehrung Galileis;
– Verdammung von Foscarinis Buch als häretisch;
– De revolutionibus als „verbesserungsbedürftig“ auf dem Index.
Galileis Behauptungen
(1) Die heliozentrische Auffassung gibt die Beschaffenheit des Weltsystems zutreffend wieder.
(2) Es gibt keine Bibelstellen, die bei korrekter Auslegung mit dieser Auffassung im Widerspruch
stehen.
Kardinal ROBERTO BELLARMINO (1542-1621):
Traditionelles instrumentalistisches Selbstverständnis der Astronomie.
Die Astronomie hat es nicht mit der Sache nach wahren oder wahrscheinlichen Theorien zu tun.
=> Die Astronomie dient allein der Rettung der Phänomene.
Allerdings: physikalischen Beweisen Galileis für die Bewegung der Erde sei Beachtung zu
schenken.
Theologischer Streitpunkt: Zwei Wahrheiten können sich nicht widersprechen.
=> Bibelauslegung solcherart, dass der Widerspruch mit den Naturtatsachen verschwindet.
(1) Verständnis widriger Bibelstellen als Anpassung an die Sprechweise des Volkes.
(2) Ableitung positiver Bestätigung des Heliozentrismus aus der Bibel.
1624: Explizite päpstliche Erlaubnis, Galilei dürfe alle astronomischen Systeme „hypothetisch“
behandeln, also ohne realistische Wahrheitsansprüche.
Mit dem Sonnenfleckenargument zugunsten der Zentralstellung und der Gezeitentheorie für die
Bewegung der Erde endlich Beweise für die Richtigkeit der Copernicanischen Theorie.
=> Behandlung astronomischer Streitfragen mit dem literarischen Mittel des Dialogs.
Dialogo sopra i due massimi sistemi del mondo, tolemaico e copernicano, Florenz 1632:
Unterhaltung dreier Gesprächspartner, Salviati, Sagredo und Simplicio, über Astronomie, Physik
und Kosmologie.
=> Keine Zurechenbarkeit der pro-Copernicanischen Ansichten zu Galilei.
1632 Einleitung eines formellen Verfahrens gegen Galilei.
Juni 1633 offizielle Verurteilung durch das Sanctum officium und Galileis Widerruf.
Galilei widerruft die Auffassung, „die Sonne sei der Mittelpunkt der Welt und bewege sich nicht
von Osten nach Westen, und die Erde sei nicht der Mittelpunkt der Welt und bewege sich.“