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 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.
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 (Bild 2):
- In die geometrische Mitte zwischen zwei Uhren bringt man eine Lichtquelle (2a).
- 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 (2b).
- Zum Zeitpunkt des Eintreffens der Lichtsignale starten die Uhren automatisch (2c).
- Die beiden Uhren laufen dann synchron (2d).