Gedankenexperiment
Ein Gedankenexperiment ist eine Methode der Erkenntnisgewinnung. Es ist ein Experiment auf gedanklicher Ebene und wird meist dann angewendet, wenn die Bedingungen für die Durchführung von Realexperimenten nicht gegeben sind oder wenn man Bedingungen, die beim Realexperiment auftreten (z.B. die Reibung), zum Verschwinden bringen will. Gedankenexperimente sind vor allem in der speziellen Relativitätstheorie häufig, werden aber auch in der klassischen Physik angewendet.
Gedankenexperimente sind ein legitimes Mittel der Naturwissenschaften, speziell der Physik, für die Aufstellung und Überprüfung von Hypothesen. Sie haben nichts mit Spekulation oder Gedankenspielerei zu tun. Dazu müssen sie aber nach bestimmten Regeln durchgeführt werden:
- Es muss eine Frage an die Natur formuliert werden, die mit dem Experiment beantwortet werden soll.
- Es müssen klare Ausgangsbedingungen formuliert werden, die den bekannten Naturgesetzen nicht widersprechen.
- Die Schritte müssen logisch einwandfrei und nachvollziehbar sein.
- Das Ergebnis ist vom Wahrheitswert her stets unsicher. Es bedarf der Bestätigung durch die Praxis.
Beispiel 1: Gesetze für den freien Fall
Der italienische Naturwissenschaftler GALILEO GALILEI (1564-1642) untersuchte experimentell die Bewegung von Körpern längs einer geneigten Ebene (Bild 1) und fand auf diese Weise die Gesetze für gleichmäßig beschleunigte Bewegungen. Die experimentelle Untersuchung für den freien Fall war zu dieser Zeit nicht möglich. Man war weder in der Lage, ein Vakuum herzustellen, noch war es möglich, die auftretenden kurzen Fallzeiten zu messen. Möglich war aber die gedankliche Übertragung der gefundenen Gesetze unter der Bedingung, dass der freie Fall ebenfalls eine gleichmäßig beschleunigte Bewegung ist und der Luftwiderstand vernachlässigt wird. Damit konnten auch Gesetze für den freien Fall formuliert werden, die sich in späteren Untersuchungen als zutreffend erwiesen haben.
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GALILEI ermittelte experimentell die Fallgesetze. Die Übertragung auf den freien Fall war nur im Gedankenexperiment möglich.
Wolfgang Schreier, Leipzig
Beispiel 2: Synchronisation von Lichtuhren
Der deutsche Physiker ALBERT EINSTEIN (1879-1955) entwickelte im Rahmen seiner speziellen Relativitätstheorie eine ganze Reihe von Gedankenexperimenten, z. B. zur Relativität der Gleichzeitigkeit oder zur Zeitdilatation. Nähere Erläuterungen sind unter diesen Stichworten zu finden. Ein gut überschaubares Beispiel ist auch das von ihm angegebene Verfahren der Synchronisation von Uhren in einem Inertialsystem. Das ist Voraussetzung dafür, das man die Gleichzeitigkeit von Ereignissen feststellen kann.
Dabei geht man (gedanklich) folgendermaßen vor:
- In die geometrische Mitte zwischen zwei Uhren bringt man eine Lichtquelle.
- Zu einem bestimmten Zeitpunkt sendet diese Lichtquelle nach beiden Seiten ein Lichtsignal aus. Diese Lichtsignale erreichen unter den angenommenen Bedingungen (Abstand zwischen Lichtquelle und Uhren ist gleich groß, Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichtes ist in alle Richtungen gleich groß und konstant) zur gleichen Zeit die beiden Uhren.
- Zum Zeitpunkt des Eintreffens der Lichtsignale starten die Uhren automatisch.
- Die beiden Uhren laufen dann synchron.
