Moderne Naturwissenschaft
Über eine präzise Definition und den zeitlichen Beginn der modernen Naturwissenschaft sind sich Fachleute nicht einig. Oft wird in Überschneidung mit der naturwissenschaftlichen Revolution als zeitlicher Rahmen etwa das 17.Jahrhundert für den Beginn der modernen Naturwissenschaft angegeben. Als wichtige Merkmale werden professionalisierter Wissenschaftsbetrieb, die Entwicklung und Anwendung naturwissenschaftlicher Methodik und später die Herausbildung von Fachbereichen durch Spezialisierung angesehen.
Mit der Gründung von naturwissenschaftlichen Gesellschaften, Akademien und neuen Universitäten begann die Etablierung einer eigenständigen wissenschaftlichen Tradition in Europa. In Frankreich widmeten sich Gelehrte – beeinflusst durch Descartes' rationalistischer Philosophie – der theoretischen Beschreibung von Naturphänomenen unter Betonung der deduktiven Methode. In England dagegen galt das Interesse aufgrund Bacons Einfluss der empirischen Methode, weshalb man sich durch das Experiment vermehrt technischen Herausforderungen stellte.[9] Dies wird auch als einer der Gründe angesehen, warum die Industrielle Revolution in der zweiten Hälfte des 18. Jahrhunderts ihren Anfang in England nahm. Zahlreiche bahnbrechende Entdeckung und Erfindungen leiteten einen unverkennbaren gesellschaftlichen und wirtschaftlichen Wandel ein, der sich in den folgenden Jahrzehnten auf das europäische Festland und Amerika ausbreitete.
Mit der starken Zunahme an Wissen seit dem 18. Jahrhundert konnte schrittweise ein Grundverständnis über den Aufbau der empirisch zugänglichen Welt erarbeitet werden, was eine Einteilung der Naturwissenschaften in Fachbereiche wie Biologie, Chemie, Geologie und Physik möglich machte. Obwohl sich Unterschiede in der Methodik der Fachrichtungen entwickelten, beeinflussten und ergänzten sie sich gegenseitig. Die in der Biologie untersuchten Stoffwechselprozesse konnten beispielsweite durch die organische Chemie erklärt und näher erforscht werden. Des Weiteren lieferten moderne Atomtheorien der Physik Erklärungen zum Aufbau der Atome und trugen so in der Chemie zu einem besseren Verständnis der Eigenschaften von Elementen und chemischen Bindungen bei. Darüber hinaus entwickelten sich Fachbereiche wie Medizin, Agrar- oder Ingenieurwissenschaften, die Anwendungsmöglichkeiten für das theoretische Wissen erarbeiteten.
In der ersten Hälfte des 20.Jahrhunderts erlebte die Physik einen bemerkenswerten Umbruch, der gravierende Folgen für das Selbstverständnis der Naturwissenschaft haben sollte. Mit der Begründung der Quantentheorie stellten Max Planck und Albert Einstein fest, dass Energie – besonders auch in Lichtwellen – nur in diskreten Größen vorkommt, also gequantelt ist. Des Weiteren entwickelte Einstein die spezielle (1905) und die allgemeine Relativitätstheorie (1915), die zu einem neuen Verständnis von Raum, Zeit, Gravitation, Energie und Materie führte. Eine weitere Umwälzung markiert die in den 1920er und 30er Jahren begründete Quantenmechanik, die bei der Beschreibung von Objekten auf atomarer Ebene markante Unterschiede zur klassischen Vorstellung der Atome aufweist. Dort stellte man fest, dass bestimmte Eigenschaften von Teilchen nicht gleichzeitig beliebig genau gemessen werden können (Heisenbergsche Unschärferelation) und beispielsweise Elektronen eines Atoms nicht genau lokalisiert, sondern nur in gewissen Wahrscheinlichkeiten über ihren Aufenthaltsort beschrieben werden können. Diese Entdeckungen entziehen sich größtenteils der menschlichen Anschauung, entfalten aber ihre große Aussagekraft in ihrer mathematischen Formulierung und sind für zahlreiche Anwendungen der modernen Technik von großer Bedeutung.
Im Zweiten Weltkrieg und in der Zeit des Kalten Kriegs wurde naturwissenschaftliche Forschung – insbesondere die Nukleartechnik – stark forciert, weil sie Voraussetzung für eine technische und militärische Überlegenheit der Großmächte war. Seit dem hat sich für den massiven Ausbau von Forschungseinrichtungen der Begriff der Großforschung etabliert.
Methoden
Die Methoden der Naturwissenschaften, sowie ihre Voraussetzungen und Ziele, werden in der Wissenschaftstheorie erarbeitet und diskutiert. Sie basieren hauptsächlich auf Mathematik, Logik und Erkenntnistheorie, aber auch auf kulturell geprägten methodischen und ontologischen Vorannahmen[10], die Gegenstand naturphilosophischer Reflexion sind.[11]
Metaphysische und erkenntnistheoretische Prämissen
Die Zielsetzung der Naturwissenschaften – die Erforschung der Natur – setzt als metaphysische Grundannahme voraus, dass die Natur existiert, und dass natürliche Vorgänge gesetzmäßig ablaufen.[12][13] Weiterhin gehen Naturwissenschaftler von der erkenntnistheoretischen Prämisse aus, dass die systematische Generierung von Wissen über die Natur innerhalb bestimmter Grenzen möglich ist.[14] Zu der Frage, wo genau diese Grenzen liegen, gibt es verschiedene Standpunkte, deren gängigste Varianten grob in zwei Gruppen aufgeteilt werden können, die empiristische Position und die Position des wissenschaftlichen Realismus.[15] Empiristen gehen davon aus, dass sich die Möglichkeit wissenschaftlicher Erkenntnis auf empirische Beobachtungen beschränkt.[15] Theorien bzw. Modelle ermöglichen hingegen dem Empirismus zufolge keine Aussagen über die Natur. Eine mit dieser Auffassung verbundene Schwierigkeit ist die Abgrenzung zwischen empirischer Beobachtung und theoretischen Aussagen, da die meisten Beobachtungen in den Naturwissenschaften indirekt sind.[16] Beispielsweise sind elektrische Felder, Atome, Quasare oder DNA-Moleküle nicht direkt beobachtbar, vielmehr lassen sich die Eigenschaften dieser Objekte nur unter Anwendung komplexer experimenteller Hilfsmittel ableiten, wobei der theoretischen Interpretation der gemessenen Daten eine unverzichtbare Rolle zukommt.
Wissenschaftliche Realisten vertreten hingegen den Standpunkt, dass wissenschaftliche Theorien bzw. die aus Theorien abgeleiteten Modelle eine zwar idealisierte, aber doch näherungsweise zutreffende Beschreibung der Realität zulassen. Demnach existieren beispielsweise DNA-Moleküle wirklich, und die gegenwärtigen Theorien zur Vererbung sind näherungsweise korrekt, was jedoch zukünftige Erweiterungen oder auch partielle Änderungen dieser Theorien nicht ausschließt. Wissenschaftliche Realisten betrachten ihre Aussagen also als das am besten abgesicherte verfügbare Wissen über die Natur, erheben aber nicht den Anspruch auf die Formulierung uneingeschränkt gültiger und letzter Wahrheiten. Manche Kritiker des wissenschaftlichen Realismus - einflussreich war hier insbesondere die Positivismus-Bewegung des beginnenden 20. Jahrhunderts - lehnen jegliche Metaphysik als spekulativ ab. Andere Kritiker weisen auf spezifische erkenntnistheoretische Probleme des wissenschaftlichen Realismus hin, darunter insbesondere das Problem der Unterbestimmtheit von Theorien.[17][18]
Empirie und Experiment
Um objektive Erkenntnisse über das Verhalten der Natur zu gewinnen, werden entweder Versuche durchgeführt oder schon stattfindende Prozesse in der Natur intensiv beobachtet und dokumentiert. Bei einem Experiment wird ein Vorgang oft unter künstlich erzeugten Bedingungen im Labor durchgeführt und mit Hilfe verschiedener Messvorrichtungen quantitativ analysiert. In der Feldforschung werden dagegen natürlich ablaufende Prozesse empirisch untersucht oder stichprobenartige Befragungen erhoben. Das Experiment oder die Naturbeobachtung kann überall auf der Welt ort- und zeitunabhängig – sofern sie unter gleichen, relevanten Bedingungen durchgeführt wird – wiederholt werden und muss im Rahmen der Messgenauigkeit zu gleichen Ergebnissen führen (Reproduzierbarkeit). Der empirische Ansatz ist vor allem seit seiner theoretischen Beschreibung durch Francis Bacon und der praktischen Anwendung durch Galileo Galilei ein wichtiger Pfeiler der Wissenschaftstheorie und garantiert, dass Forschungsergebnisse unabhängig überprüft werden können und so dem Anspruch auf Objektivität gerecht werden.
Oft widersprechen empirische Tatsachen der alltäglichen Erfahrung. Beispielsweise scheinen leichte Gegenstände wie ein Blatt Papier immer langsamer zu Boden zu fallen als schwere wie etwa ein Stück Metall. So vertrat Aristoteles die Auffassung, dass jeder physikalische Körper seinen natürlichen Ort habe, den er zu erreichen suche. Schwere Körper würden fallen, weil ihr natürlicher Platz unten sei. Er nahm an, dass jeder Körper mit gleichbleibender Geschwindigkeit fällt, die von seiner Masse abhängt. Galilei fragte jedoch nicht zuerst nach dem Grund des Falls, sondern untersuchte den Vorgang selbst, indem er die Fallzeit, die Fallhöhe und die Geschwindigkeit verschiedener Körper erfasste und ins Verhältnis setzte. So stelle er unter anderem fest, dass die Fallzeit nicht von der Masse der Körpers – wie früher vermutet – sondern von seiner Form und damit von der auftretenden Luftreibung abhängt. Lässt man also ein Tischtennisball und eine genauso große Bleikugel aus derselben Höhe fallen, stellt man im Gegensatz zu einer intuitiven Vermutung fest, dass beide zur selben Zeit auf dem Boden ankommen.
Die Aussagekraft des Experiments hängt von verschiedenen Faktoren ab. Bei Verwendung eines Messgeräts muss seine Genauigkeit bekannt sein, um überhaupt einschätzen zu können, wie zuverlässig die damit gemessenen Daten sind (Reliabilität). Auch das ganze Experimentkonzept muss auf seine Validität geprüft und die Ergebnisse oft mit statistischen Verfahren ausgewertet werden, um zu entscheiden, ob das Ergebnis tatsächlich einen Sachverhalt rechtfertigen kann. Schon Galilei war sich der Ungenauigkeit seiner Instrumente und der damit verbundenen Messunsicherheit bewusst.[19] Aus diesem Grund verbesserte er seine Messungen, indem er die zum freien Fall analoge Bewegung auf der schiefen Ebene untersuchte.
Induktion
Bei Anwendung der Induktionsmethode wird aus der Untersuchung eines Phänomens auf eine allgemeine Erkenntnis geschlossen. Die empirischen Daten werden ausgewertet und auf allgemein beschreibbare Vorgänge untersucht. Liegen quantitative Messergebnisse vor, wird nach mathematischen Zusammenhängen der gemessenen Größen gesucht. Im obigen Beispiel des freien Falls fand Galilei eine lineare Beziehung zwischen der Zeit und der erreichten Geschwindigkeit des fallenden Körpers, die in der konstanten Erdbeschleunigung ihren Ausdruck findet.
Obwohl die induktive Folgerung in der Naturwissenschaft oft angewendet wird, ist sie in der Wissenschaftstheorie umstritten (Induktionsproblem). Schon Galileo waren Schwierigkeiten des Ansatzes bekannt.[20] David Hume legte ausführlich dar, dass für die Rechtfertigung eines allgemeinen Gesetzes Erfahrung alleine nicht ausreiche.[21] Es wäre beispielsweise fatal, aus der Wachstumsgeschwindigkeit eines Kindes auf dessen Größe im Erwachsenenalter schließen zu wollen. Deswegen wurden (etwa von Rudolf Carnap) Versuche unternommen, die Aussagekraft von induktiven Schlüssen abzuschwächen, indem man ihrer Gültigkeit einen Wahrscheinlichkeitswert beigemessen hat, der aufgrund empirischer Erfahrung bestehen soll. Auch solche Ansätze werden von Vertretern des kritischen Rationalismus wie Karl Popper abgelehnt, da sie sich entweder auf A-Priori-Annahmen stützen oder in ihrer Argumentation zum unendlichen Regress führen und das ursprüngliche Induktionsproblem nicht lösen.[22]
Deduktion
Die Methode der Deduktion bezeichnet eine logische Schlussfolgerung aus einer als wahr angenommenen Hypothese. Wird eine bestimmte Gesetzmäßigkeit in der Natur vermutet, können aus dieser deduktiv verschiedene Aussagen hergeleitet und wiederum empirisch überprüft werden. Wieder kann dieser Prozess am freien Fall veranschaulicht werden. Aus der Vermutung, dass die Geschwindigkeit des fallenden Körpers direkt proportional zu seiner Fallzeit ist, kann man mathematisch folgern, dass die zurückgelegte Strecke des Körpers quadratisch mit der Zeit zunimmt. Diese Schlussfolgerung kann nun experimentell überprüft werden und erweist sich als richtig, wobei sich die angenommene Hypothese bewährt. Anschaulich wird das Ergebnis in einer Reihe von periodisch erfolgten Momentaufnahmen eines fallenden Gegenstands. Der Körper legt mit jeder Aufnahme jeweils eine längere Strecke zurück, was die Hypothese einer konstanten Fallgeschwindigkeit von Aristoteles anschaulich widerlegt.
Eine weitere Beobachtung ist, dass leichte Körper mit einer großen Oberfläche wie etwa eine Feder viel langsamer fallen. Es stellt sich die Vermutung auf, dass diese Tatsache auf die Luftreibung zurückzuführen ist. Um dies deduktiv zu überprüfen, lässt sich ein Fallexperiment in einem evakuierten Glaszylinder durchführen, was Robert Boyle 1659 gelang. Er demonstrierte, dass beliebige Körper unterschiedlicher Masse, etwa eine Feder und ein Stein, im Vakuum beim Fall aus gleicher Höhe gleichzeitig den Boden erreichten.
Es gibt verschiedene Methoden, um Schlussfolgerungen deduktiv aus schon bekannten Daten oder Gesetzen zu ziehen. Wichtig sind auch Modelle, die angeben, wie zuverlässig diese sind. Wenn aus bestimmten Gründen das Verhalten eines Systems in einem Bereich nicht untersucht werden kann, aber trotzdem Aussagen für die Entwicklung des Systems mit Hilfe von bekannten Gesetzmäßigkeiten getroffen werden, wird von Extrapolation gesprochen. So lassen sich beispielsweise Wahlergebnisse schon vor der Wahl abschätzen (Hochrechnung), indem man aus stichprobenartigen Befragungen relativ repräsentative Werte erhält. Wird hingegen eine Aussage über den Zustand eines Systems getroffen, der nicht direkt untersucht wurde, aber im Bereich des schon bekannten Verhaltens des Systems liegt, spricht man von Interpolation. Gewinnt man deduktiv eine Aussage über ein Ereignis, das in der Zukunft stattfinden soll, so spricht man auch von der Vorhersagbarkeit. Ein solches Beispiel ist die Berechnung der Daten und Uhrzeiten von Mond- und Sonnenfinsternissen aus den Bewegungsgleichungen der Himmelskörper.
|