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Anomalie

Anomalie

Das Wort Anomalie bedeutet heute meist eine Abweichung von der Regel oder eine Abnormität. Diese Bedeutung hat es aber offenbar unter dem Einfluß einer Verwechslung mit "anormal" ("gegen die Norm") angenommen. Das Wort Anomalie bedeutet im wörtlichen Sinn 'Unebenheit'. Es ist nicht die Negation des altgriechischen nomos (Gesetz), sondern von homalos ('eben'). Die Ableitung von nomos ist aus drei Gründen zweifelhaft: Erstens schreibt sich das Wort "Anomalie" (v.a. in der Stoa und der antiken Grammatik belegt) mit Omega, nicht (wie nomos) mit Omikron; zweitens wäre die eingeschaltene Silbe "al" schwer zu motivieren; drittens existiert ja eine etymologisch eindeutige Negation von nomos: Anomie, ein Wort, das allerdings nicht etwa die Abweichung eines Falls von einem allgemeinen Gesetz, sondern das Fehlen eines jeglichen Gesetzes meint. Anomalie wäre sowohl von Anomie einerseits als auch von Abnormität andererseits zu unterscheiden: Mit der 'Unebenheit', der ungleichmäßigen Verteilung von verschiedenen Elementen, ist noch keine Entscheidung darüber getroffen, ob daraus überhaupt ein Gesetz abzuleiten ist; Anomalie ist also weder mit der Anomie, der Gesetz-Losigkeit, identisch, noch auch mit der Abnormität, die eine Norm voraussetzt, von der ein einzelner Fall abweicht. Diese Abweichung von einer Norm ist allerdings die dominante Verwendung von Anomalie als Fachausdruck in einigen Wissenschaften:
- In der Informatik können Anomalien zu Inkonsistenzen in Datenbanken führen.
- in der Physik und den Geowissenschaften die zahlenmäßige Abweichung gemessener (allenfalls topografisch korrigierter) Werte eines Potenzialfeldes von einem mathematisch definierten Wert im Bezugssystem:
- Anomalie (Quantenfeldtheorie), die Brechung einer klassischen Symmetrie einer Feldtheorie (auf klassischem Niveau) durch den Prozess der Quantisierung.
- Anomalie in der Schwerkraft (Schwereanomalie, Bouguer- bzw. Freiluft-Anomalie, isostatische Anomalie usw.)
- magnetische Anomalie im Magnetfeld der Erde und von Testkörpern
- elektrische Anomalie bei Erd- und anderen Strömen
- Dichteanomalie (Ausdehnung bei Abkühlung, zum Beispiel hat Wasser bei 4°C die größte Dichte)
- Siedepunktsanomalie (höherer Siedepunkt bestimmter Stoffen im Vergleich zu ähnlichen Stoffen mit einer höheren molaren Masse)
- in der Astronomie und Himmelsmechanik den momentanen Winkelabstand eines Planeten vom Perihel seiner Bahnellipse:
- als wahre Anomalie gemessen im Schwerpunkt des Sonnensystems (im Brennpunkt der Ellipse)
- anomalistisches Jahr (zwischen zwei Perihel-Durchgängen der Erde), 365 Tage und 6:13:53 Stunden
- als exzentrische Anomalie im umgeschriebenen Kreis
- als mittlere Anomalie in einer fiktiv gleichförmigen Bewegung (zeitlich linear)
- in der Medizin eine angeborene oder später entstandene Fehlentwicklung eines Organs, oder z.B. chromosomale Anomalien
- in der Psychologie ... nested Anomaly (?) ...
- in der Entwicklungs-Psychologie: z.B. Widerstands-, IQ-Anomalie
- in der Wissenschaftstheorie von Thomas Kuhn ein Phänomen, das von einem Wissenschaftlichen Paradigma nicht erklärt werden kann.

Abweichung

Eine Abweichung oder Differenz ist im Allgemeinen ein Nicht-Erfüllen einer Erwartung oder einer Vorgabe. Diese Vorgabe kann auch gleichwertig sein, d. h. man sagt z. B. zwei Werte weichen voneinander ab. Beispiele: :Eine Abweichung von der Norm :Eine Abweichung von der Reiseroute :Eine Abweichung in der Qualität In der Mathematik, insbesondere der Statistik, ist die so genannte Standardabweichung definiert. Weiterhin ist der Begriff in der Pharmazeutischen Industrie im Rahmen der guten Herstellpraxis (GMP für engl. Good Manufacturing Practice) besonders belegt, hier bedeutet er ein Abweichen von etablierten und standardisierten Vorschriften oder Qualitätskriterien. Eine Abweichung erfordert hier eine detaillierte Begründung, Bewertung oder auch Untersuchung, je nachdem ob die Abweichung geplant war oder unerwartet auftrat. Im rechtlichen Bereich ist die Abweichung von Gerichten erster oder zweiter Instanz von Entscheidungen von Gerichten höherer Instanz (so. Divergenz) von Bedeutung. Die Abweichung kann zur Zulassung eines Rechtsmittels gegen die Entscheidung führen, die von ober- oder höchstrichterlicher Rechtsprechung abweicht (vgl. z.B. § 124 Absatz 2 Nr. 4 Verwaltungsgerichtsordnung, VwGO).

Gesetz

=Etymologie= Der Begriff Gesetz bezeichnet etwas Gesetztes, etwas Festgelegtes. Ein Gesetz ist also im eigentlichen Sinn des Wortes eine Festlegung (von Regeln). Daher bezeichnet man den Gesetzgebungsvorgang auch als Rechtsetzung – im Gegensatz zur Rechtsprechung. Von dem Verb setzen leitet sich der Begriff Satzung ab. =Rechtswissenschaft=

Begriff

Die rechtswissenschaftliche Terminologie unterscheidet zwischen dem Gesetz im formellen Sinne und dem Gesetz im materiellen Sinne.

Gesetz im materiellen Sinn

Gesetz im materiellen Sinn (auch: materielles Gesetz) ist jede Rechtsnorm. Das ist jede Maßnahme eines Trägers öffentlicher Gewalt, die darauf gerichtet ist, in einer unbestimmten Vielzahl von Einzelfällen bestimmte Rechtsfolgen herbeizuführen, die sich nicht ausschließlich innerhalb dieses Trägers öffentlicher Gewalt auswirken und in diesem Sinne so genannte Außenwirkung entfalten. Gesetz im materiellen Sinne ist daher beispielsweise das deutsche Bürgerliche Gesetzbuch ebenso wie die 16. Verordnung zur Durchführung des Bundes-Immissionsschutzgesetzes (BImSchG), die kommunale Abwassergebührensatzung oder die ordnungsbehördliche Verordnung über die Benutzung öffentlicher Straßen. Kein Gesetz im materiellen Sinne ist dagegen eine Verwaltungsvorschrift, da sich ihre Rechtswirkungen auf den Innenbereich des erlassenden Trägers öffentlicher Gewalt beschränken. Ebenso wenig Gesetz im materiellen Sinne ist die Baugenehmigung, da sie Rechtsfolgen nicht für eine unbestimmte Vielzahl von Einzelfällen, sondern allein für einen einzigen ganz bestimmten Lebenssachverhalt (nämlich ein individuelles Bauvorhaben) entfaltet. Auch die DIN-Norm ist kein Gesetz. Weder ist das Deutsche Institut für Normung ein Träger öffentlicher Gewalt noch ist die DIN-Norm darauf gerichtet, aus sich heraus Rechtsfolgen irgendwelcher Art herbeizuführen.

Gesetz im formellen Sinn

Gesetz im formellen Sinn (auch: formelles Gesetz, Parlamentsgesetz) ist jede Maßnahme, die in einem Verfahren zustande gekommen ist, das von Verfassungs wegen für den Erlass von Gesetzen vorgesehen ist, von den in der Verfassung dazu bestimmten Organen erlassen worden ist und die in der Verfassung für Gesetze bestimmte Form hat. Gesetz im formellen Sinn ist daher regelmäßig nur diejenige Maßnahme, die vom (Bundes- oder Landes-) Parlament in einem Gesetzgebungsverfahren beschlossen und im (Bundes- bzw. Landes-) Gesetzblatt bekannt gemacht worden ist....

Unterschiede

Beide Begriffe sind nicht deckungsgleich. Das Gesetz im formellen Sinn muss nicht zwingend auch ein Gesetz im materiellen Sinn sein. So dürfte beispielsweise das Magnetschwebebahnbedarfsgesetz, das ausschließlich die Feststellung enthielt, dass Bedarf für eine Magnetschwebebahnverbindung von Hamburg nach Berlin bestehe, kaum als materielles Gesetz anzusehen sein, weil es nicht eine unbestimmte Vielzahl von Einzelfällen, sondern einen ganz individuellen Lebenssachverhalt betraf. Ein nur formelles Gesetz ist auch das Haushaltsgesetz nach Art. 110 Abs. 2 im Grundgesetz. Umgekehrt ist nicht jedes Gesetz im materiellen Sinn auch ein Gesetz im formellen Sinn. Letzteres gilt insbesondere für Verordnungen und Satzungen.

Rangfolge (Normenhierarchie)

Zwischen verschiedenen (materiellen) Gesetzen besteht eine Rangfolge in der Weise, dass das jeweils untergeordnete Gesetz den inhaltlichen Vorgaben des übergeordneten Gesetzes, auf dem es beruht, entsprechen muss (so genannte Normenhierarchie). Im innerstaatlichen Recht steht die Verfassung an der Spitze; in ihr die Normen, die mit der so genannten Ewigkeitsgarantie ausgestattet sind. Unter der Verfassung stehen die formellen Gesetze (so genannte einfache Gesetze), hierunter die Verordnungen und Satzungen. Recht, das den übergeordneten Normen nicht entspricht, ist nichtig. Bei nachkonstitutionellen Gesetzen im formellen Sinne kann die Nichtigkeit nur vom Bundesverfassungsgericht (BVerfG) ausgesprochen werden (Verwerfungsmonopol).

Siehe auch

- Normenhierachie
- Hauptseite Recht
- :Kategorie:Gesetz
- :Kategorie:Gesetz (Deutschland)
- Anomie (Gesetzlosigkeit) = Naturwissenschaft = In der Wissenschaft bezeichnet Gesetz eine beobachtete oder hergeleitete allgemeingültige Regel, z. B. Potenzgesetze in der Mathematik oder physikalische Gesetze (Naturgesetze). = Andere = Auch in anderen Bereichen hat sich der Begriff Gesetz im Sinne einer beobachteten Gesetzmäßigkeit eingebürgert: Murphys Gesetz, Soulmans Gesetz. = Weblinks =
- [http://bundesrecht.juris.de/bundesrecht/GESAMT_index.html Sammlung einiger Gesetze des Bundes der juris GmbH]
- [http://bundesrecht.juris.de/bundesrecht/index.html oder den Index]
- [http://dmoz.org/World/Deutsch/Gesellschaft/Recht/ Deutsches Recht]
- [http://www.rechtliches.de Linkverzeichnis des Deutschen Rechts]
- [http://dejure.org Verlinkte Ausgaben der wichtigsten deutschen Gesetze]
- [http://www.wdrmaus.de/sachgeschichten/gesetz/ Sendung mit der Maus: Wie wird ein Gesetz gemacht?] Kategorie:Staats- und Verfassungsrecht ja:法律 zh-cn:法学 zh-tw:法學

Anomie

Anomie (aus dem Griechischen: a- = "un-", nómos = Ordnung, Gesetz) bedeutet # Gesetzlosigkeit, Gesetzeswidrigkeit; v.a. in England war der Begriff ursprünglich ein Ausdruck für das Brechen religiöser Gesetze; # Soziologie: Zustand fehlender oder geringer sozialer Ordnung bzw. Regel- und Normenschwäche. Der Begriff wurde von Émile Durkheim in die Soziologie eingeführt. Der Rückgang von religiösen Normen und Werten führt nach Durkheim unweigerlich zu Störungen und zur Verringerung sozialer Ordnung. Aufgrund von Gesetz- und Regellosigkeit sei dann die gesellschaftliche Integration nicht länger gewährleistet. Diesen Zustand nannte Durkheim anomie, die beim Individuum zu Angst und Unzufriedenheit führen müsse, ja sogar zur Selbsttötung führen könne ("anomischer Suizid"). Durkheim benutzte den Begriff, um die pathologische Auswirkungen der im Frühindustrialismus sich rasch entwickelnden Sozial- und Arbeitsteilung zu beschreiben. Die damit einhergehende Schwächung der Normen und Regeln für die Allokation von Waren führe zu einem verschärften Wettbewerb um die steigenden Prosperitätsgewinne. Robert K. Merton hat den Begriff verfeinert, indem er die Regeln näher beschreibt, deren Fehlen zu Anomie führt:
- kulturelle Ziele als Wünsche und Erwartungen der Menschen einer Gesellschaft
- Normen, welche die Mittel vorschreiben, die die Menschen zur Realisierung ihrer Ziele anwenden dürfen
- die Verteilung dieser Mittel. Als Anomie wird nunmehr eine Dissoziation zwischen kulturellen Zielen und dem Zugang bestimmter Schichten zu dazu notwendigen Mitteln beschrieben. Dadurch schwächt sich die Bindung zwischen Mitteln und Zielen. Gegenwärtig führt vor allem die Relativierung kultureller Mittel durch Pluralisierung zum Problem der Orientierungs- und Verhaltensunsicherheit, der Individualisierung und gesellschaftlichen Desintegration. siehe auch: Abweichendes Verhalten Kategorie:Soziologie

Anomie

Fach

Das Wort Fach entstammt der Sprache der Schreiner und Zimmerleute. Es bezeichnet heute:
- Ein Fachwerk, siehe Fach (Fachwerk).
- Ein Ordnungselement in einem Schrank, Regal oder Kasten zur Aufbewahrung und zum schnelleren Wiederfinden von Gebrauchsgegenständen, perfektioniert im Apothekerschrank oder genormt im Setzkasten.
- In der Organisation einer Institution eine „Abteilung“ oder ein „Ressort“ im Sinne von Abteilung. Hier ist das Fach ein Ordnungsfaktor, der Kontinuität der Arbeitsteilung, Rationalität der Dokumentation (vgl. z.B. die Fächer des Archivs eines Nachrichtenmagazins) und Dauerhaftigkeit der Planung ermöglicht.
- Im Schulwesen ein Unterrichtsfach.
- In der Schauspielkunst das Bühnen- oder Rollenfach, siehe Fach (Schauspielkunst).
- In der Oper und der klassischen Gesangskunst das Stimmfach.
- Der Raum, der beim Weben entsteht, wenn manche Kettfäden gehoben und andere gesenkt werden.

Informatik

Informatik bezeichnet die Wissenschaft von der systematischen Verarbeitung von Informationen, insbesondere der automatischen Verarbeitung mit Hilfe von Rechenanlagen. Historisch hat sich die Informatik als Wissenschaft aus der Mathematik entwickelt, während die Entwicklung der ersten Rechenanlagen ihre Ursprünge in der Elektrotechnik und Nachrichtentechnik hat. Dennoch stellen Computer nur das Werkzeug der Informatik dar, um die theoretischen Konzepte praktisch umzusetzen. Von dem niederländischen Informatiker Edsger Dijkstra stammt der Satz „In der Informatik geht es genauso wenig um Computer wie in der Astronomie um Teleskope“.

Definition der Informatik

Begriffsbildung

Der Begriff Informatik ist zusammengesetzt aus den Wörtern Information und Automatik. Das Wort wurde in Deutschland erstmals 1957 von Karl Steinbuch, damals Mitarbeiter der Standard Elektrik Gruppe, in einer Veröffentlichung über eine Datenverarbeitungsanlage für das Versandhaus Quelle gebraucht. Der in Europa geprägte Begriff Informatik deckt unter anderem die Felder ab, die im Englischen mit computer science und information systems bezeichnet werden. In Skandinavien wird der Begriff Datalogi als Bezeichnung verwendet.

Bedeutung der Informatik in der Moderne

Die Informatik hat in praktisch allen Bereichen des modernen Lebens Einzug gehalten. Offensichtlich wird dies durch den enormen Einfluss des Internets verstärkt. Die weltweite Vernetzung revolutionierte die Unternehmenskommunikation und Logistik, die Medien aber auch praktisch alle privaten Haushalte. Weniger offensichtlich, aber allgegenwärtig ist die Informatik in Haushaltsgeräten wie Videorekordern oder Spülmaschinen, in denen sogenannte Embedded Systems die mehr oder weniger intelligente Steuerung übernehmen. Computer können große Datenmengen in kurzer Zeit verwalten, sichern, austauschen und verarbeiten. Um dieses zu ermöglichen, ist die Interaktion komplexer Hardware- und Softwaresysteme nötig, die auch das wesentliche Forschungsgebiet der Informatik darstellen. Als Beispiel mag die Wikipedia selbst dienen, in der 50.000 Anwender und Millionen von Besuchern täglich tausende Artikel suchen, lesen und bearbeiten. Die Stärken von Computersystemen liegen darin, schematische Berechnungen auf großen Datenmengen mit hoher Geschwindigkeit ausführen zu können. Im Gegensatz dazu basieren viele scheinbar alltäglichen Intelligenzleistungen des Menschen jedoch auf kognitiven Leistungen, die bis heute von Computern nur stark eingeschränkt erbracht werden können. Als Beispiel sei hier das Erkennen von Gesichtern oder das Fällen von Entscheidungen bei unsicherer Wissensbasis genannt. Derartige Prozesse werden von der Künstlichen Intelligenz untersucht. In einzelnen Teildisziplinen konnten dabei bereits beachtliche Ergebnisse erzielt werden. Von einer umfassenden Nachahmung menschlicher Intelligenz kann dabei jedoch noch nicht gesprochen werden.

Disziplinen der Informatik

Die Teildisziplinen in der Informatik

Die Informatik unterteilt sich selbst in die wesentlichen Teilgebiete der Theoretischen Informatik, der Praktischen Informatik und der Technischen Informatik. Neben diesen Hauptsäulen gibt es noch die Bereiche Künstliche Intelligenz sowie Informatik und Gesellschaft, die als interdisziplinäre Disziplinen z.T. eigenständig sind. Die Anwendungen der Informatik in den verschiedenen Bereichen des täglichen Lebens sowie in anderen Fachgebieten, wie beispielsweise der Wirtschaftinformatik, Geoinformatik, Medizininformatik, werden unter dem Begriff der Angewandten Informatik geführt.

Bild:Architektur-der-informatik.png

Im Wesentlichen kann dabei die Theoretische Informatik als Grundlage für die weiteren Teilgebiete betrachtet werden. Sie liefert fundamentale Erkenntnisse für die Entscheidbarkeit von Problemen, für die Einordnung ihrer Komplexität und für die Formalisierung von Automaten und Sprachen. Auf dieser Grundlage bauen die Praktische Informatik und die Technische Informatik auf. Sie beschäftigen sich mit zentralen Problemen der Informationsverarbeitung und bieten pragmatisch anwendbare Lösungen. Hierbei sind diese beiden Teilgebiete eng ineinander verzahnt und unterscheiden sich nur durch das Maß der Nähe zur Mikroelektronik. Aus Sicht der Informatik ist die Elektronik jedoch mehr ein Hilfsmittel und nicht Teil der Kernforschung in der Informatik. In der Praktischen Informatik versucht man weitgehend von der Elektronik unabhängige Lösungen zu erarbeiten. Die Resultate finden schließlich Verwendung in der Angewandten Informatik. Diesem Bereich sind Hardware- und Software-Realisierungen zuzurechnen und damit ein Großteil des kommerziellen IT-Marktes. In den interdisziplinären Fächern wird darüber hinaus untersucht, wie die Informationstechnik Probleme in anderen Wissenschaftsgebieten lösen kann. Als Beispiel mag hier die Entwicklung von Geodatenbanken für die Geografie dienen, aber auch die Wirtschafts- oder Bioinformatik.

Theoretische Informatik

Bioinformatik Die Theoretische Informatik beschäftigt sich mit der Theorie formaler Sprachen bzw. Automatentheorie, Berechenbarkeits- und Komplexitätstheorie, Graphentheorie, Kryptologie, Logik (u. a. Aussagenlogik und Prädikatenlogik), formaler Semantik und bietet Grundlagen für den Bau von Compilern von Programmiersprachen und die mathematische Formalisierung von Problemstellungen. Sie ist somit das formale Rückgrat der Informatik.

Automatentheorie und Formale Sprachen

Formale Sprache Automaten sind in der Informatik gedachte Maschinen, die sich nach bestimmten Regeln, dem Programm, verhalten. Ein endlicher Automat hat eine endliche Menge von inneren Zuständen. Er liest ein Eingabewort zeichenweise ein und führt bei jedem Zeichen, gemäß seinem Programm einen Zustandsübergang durch. Zusätzlich kann er bei jedem Zustandsübergang ein Ausgabesymbol ausgeben. Ein endlicher Automat hat einen besonders gekennzeichneten Startzustand und eine Menge von Endzuständen. Erreicht der Automat nach einer Folge von Zustandsübergängen einen Endzustand, so bedeutet dies, dass das gelesene Wort in der Sprache vorhanden ist, der Automat akzeptiert es also. Die Menge aller von einem Automaten akzeptierter Wörter bezeichnet man als die akzeptierte Sprache. endlicher Automat Um kompliziertere Sprachen akzeptieren zu können, sind andere Automatenmodelle notwendig, die insbesondere über einen Speicher verfügen müssen. Die Menge aller Wörter, die aus einer Folge von Buchstaben a gefolgt von einer gleichgroßen Anzahl von Buchstaben b bestehen, kurz

a^nb^n

, kann durch einen Kellerautomaten akzeptiert werden, der einen Stapelspeicher zur Verfügung hat und sich somit merken kann, wie oft der Buchstabe a gelesen wurde und wie oft der Buchstabe b deshalb folgen muss. Der Linguist Noam Chomsky ordnete die formalen Sprachen in eine Hierarchie ein, die zwischen regulären, kontextfreien und kontextsensitiven Sprachen unterscheidet. Erstere werden mit endlichen Automaten, zweitere von Kellerautomaten und letztere von linear beschränkten Turingmaschinen erkannt.

Berechenbarkeitstheorie

Im Rahmen der Berechenbarkeitstheorie untersucht die theoretische Informatik, welche Probleme mit welchen Maschinen lösbar sind. Die churchsche These geht davon aus, dass alle intuitiv berechenbaren Fragestellungen auch mit Register- und Turingmaschinen berechnet werden können und es somit keine Maschine gibt, die berechnungsstärker ist. Diese These ist formal nicht beweisbar, wird jedoch allgemein akzeptiert. Ein Rechnermodell bzw. eine Programmiersprache heißt turing-vollständig, wenn man damit eine universelle Turingmaschine simulieren kann. Alle heute eingesetzten Computer und alle „richtigen“ Programmiersprachen sind turing-vollständig, das heißt man kann damit alle entscheidbaren Probleme lösen. Den Begriff der Entscheidbarkeit kann man veranschaulichen als die Frage, ob ein bestimmtes Problem überhaupt algorithmisch lösbar ist. So ist das Finden eines größten gemeinsamen Teilers zweier ganzen Zahlen entscheidbar. Ein nicht-entscheidbares Problem ist zum Beispiel die Frage, ob ein gegebenes Computerprogramm mit gegebenen Eingabeparametern jemals zu einem Ergebnis kommt, was als Halteproblem bezeichnet wird. Bei der Berechenbarkeit wird untersucht, welches Maschinenmodell zur Berechnung einer Funktion verwendet werden kann. So kann die Ackermannfunktion zum Beispiel nicht durch die Klasse der LOOP-Programme, aber durch die mächtigere Klasse der WHILE-Programme berechnet werden.

Komplexitätstheorie

Die Komplexitätstheorie befasst sich mit dem Ressourcenbedarf von algorithmisch behandelbaren Problemen auf verschiedenen mathematisch definierten formalen Rechnermodellen, sowie der Güte der sie lösenden Algorithmen. Insbesondere werden die Ressourcen Laufzeit und Speicherplatz untersucht und ihr Bedarf wird üblicherweise in der Landau-Notation dargestellt. In erster Linie werden die Laufzeit und der Speicherplatzbedarf in Abhängigkeit der Länge der Eingabe notiert. Algorithmen, die sich höchtens durch einen konstanten Faktor in ihrer Laufzeit bzw. ihrem Speicherbedarf unterscheiden, werden durch die Landau-Notation der gleichen Klasse zugeordnet. Ein Algorithmus, dessen Laufzeit von der Eingabelänge unabhängig ist, arbeitet in konstanter Zeit, man schreibt O(1). Beispielsweise wird das Programm gib das erste Element einer Liste zurück in konstanter Zeit arbeiten. Das Programm prüfe, ob ein bestimmtes Element in einer unsortierten Liste enthalten ist braucht lineare Zeit. also O(n), denn die Eingabeliste muss genau einmal komplett gelesen werden. Die Komplexitätstheorie liefert bisher nur obere Schranken für den Ressourcenbedarf von Problemen. Methoden für exakte untere Schranken sind kaum entwickelt und nur von wenigen Problemen sind brauchbare untere Schranken bekannt (so zum Beispiel für die Aufgabe eine Liste von Werten nach einer Ordnung zu sortieren). Dennoch gibt es Methoden besonders schwierige Probleme zu klassifizieren. Zentral ist hierbei die Theorie der NP-Vollständigkeit. Viele Aussagen der Komplexitätstheorie gehen davon aus, dass die Klasse P echt in NP enthalten ist (notiert durch P

\neq

NP). P und NP sind dabei speziell definierte Klassen von Problemen. Die Frage ob P

\neq

NP wird als eine der wichtigsten offenen mathematischen Fragestellungen angesehen und ist in die Liste der Millennium-Probleme eingegangen.

Praktische Informatik

Die praktische Informatik beschäftigt sich mit der Lösung von konkreten Problemen der Informatik und insbesondere der Entwicklung von Computerprogrammen in der Softwaretechnik. Sie liefert die grundlegenden Konzepte zur Lösung von Standardaufgaben, wie die Speicherung und Verwaltung der Informationen mittels Datenstrukturen. Einen wichtigen Stellenwert haben dabei die Algorithmen, die Musterlösungen für häufige oder schwierige Aufgaben bereitstellen. Beispiele dafür sind die Sortieralgorithmen oder auch die schnelle Fouriertransformation. Eines der zentralen Themen der Informatik ist die Softwaretechnik, die ebenfalls in den Bereich der praktischen Informatik fällt. Sie beschäftigt sich mit der systematischen Erstellung von Software. Dabei werden die Ergebnisse aller anderen Bereiche, wie Algorithmen und Programmiersprachen, eingesetzt. Zusätzlich werden aber auch Konzepte und Lösungsvorschläge für große Softwareprojekte entwickelt, die einen wiederholbaren Prozess von der Idee, bis zur fertigen Software erlauben sollen. Dabei ist die eigentliche Programmierarbeit, die sogenannte Implementierung, nur noch ein kleiner Teil des Gesamtprozesses. Die Praktische Informatik stellt insbesondere auch die Werkzeuge zur Softwareentwicklung bereit. So werden Compiler für die Programmiersprachen wie Visual Basic, Java oder C++ entwickelt. Compiler sind selbst Computerprogramme, die eine Computersprache in eine andere Übersetzen. Sie erlauben es also einem Programmierer in einer für Menschen leichter verständlichen Sprache zu arbeiten. Der Compiler übersetzt das Programm später in den Maschinencode, der sehr "natürlichen" Sprache des Computers. Insbesondere auf diesem Gebiet hat die Zusammenarbeit zwischen Praktischer und Theoretischer Informatik zu bahnbrechenenden Verbesserungen geführt. Nur durch die Grundlage der formalen Sprachen ist die effiziente Erstellung von modernen Computersprachen möglich. Übersetzer werden auch an vielen anderen Stellen in der Informatik verwendet. Zum Beispiel beim Übersetzen von HTML code in eine gut lesbares Dokument. HTML Neben diesen Grundlagen wendet sich die Praktische Informatik auch speziellen Lösungen für bestimmte Aufgaben zu. Hier sind insbesondere die Betriebssysteme und zunehmend die Datenbanktechnologie zu nennen. Sie verwalten die Betriebsmittel eines Computers und garantieren die zuverlässige Speicherung aller Informationen. Auf Grund der essentiellen Bedeutung dieser hochkomplexen Softwaresystemen, sind zahlreiche Algorithmen für den Einsatz in Betriebssystemen und Datenbanken entwickelt worden. Ein Beispiel hierfür ist der B-Baum, der in Datenbanken und Dateisystemen, das schnelle Suchen in großen Datenbeständen erlaubt.

Technische Informatik

Die Technische Informatik befasst sich mit den hardwareseitigen Grundlagen der Informatik wie etwa der Mikroprozessortechnik, Rechnerarchitekturen und verteilten Systemen. Damit stellt sie ein Bindeglied zur Elektrotechnik dar. Die Rechnerarchitektur ist die Wissenschaft, die Konzepte für den Bau von Computern erforscht. Hier wird das Zusammenspiel von Mikroprozessor, Speicher sowie Controller und Peripherie definiert und verbessert. Das Forschungsgebiet orientiert sich dabei sowohl an den Anforderungen der Software als auch an den Möglichkeiten, die sich über die Weiterentwicklung von Integrierten Schaltkreisen ergeben. Integrierten Schaltkreisen Ein weiteres wichtiges Gebiet ist die Rechnerkommunikation. Diese ermöglicht den elektronischen Datenaustausches zwischen Computern und stellt damit die technische Grundlage des Internets dar. Neben der Entwicklung von Routern, Switches oder einer Firewall, gehört auch die Entwicklung der Softwarekomponenten, die zum Betrieb dieser Geräte nötig ist. Insbesondere gehört die Definition und Standardisierung der Netzwerkprotokolle, wie TCP, HTTP oder SOAP zur Rechernerkommunikation. Die Protokolle sind dabei die Sprachen in denen Computer mit einander „reden“. Während die Rechnerkommunikation die Kommunikation auf Protokollebene regelt, stellt die Wissenschaft der Verteilten Systeme, den Zusammenschluss von Computern im Großen dar. Hier regeln Prozesse die Zusammenarbeit von einzelnen Systemen in einem Verbund (Cluster). Schlagworte in diesem Zusammenhang sind beispielsweise Grid-Computing und Middleware.

Informatik in interdisziplinären Wissenschaften

Rund um die Informatik haben sich einige interdisziplinäre Forschungsansätze, teilweise zu eigenen Wissenschaften, entwickelt: Die Wirtschaftsinformatik (englisch information systems, auch management information systems) ist eine „Schnittstellen-Disziplin“ zwischen der Informatik und den Wirtschaftswissenschaften, besonders der Betriebswirtschaftslehre. Sie hat sich durch ihre Schnittstellen zu einer eigenständigen Wissenschaft entwickelt. Ein Schwerpunkt der Wirtschaftsinformatik liegt auf der Abbildung von Geschäftsprozessen und der Buchhaltung in relationalen Datenbanksystemen und ERP-Systemen wie SAP. In der Computerlinguistik wird untersucht, wie natürliche Sprache mit dem Computer verarbeitet werden kann. Sie ist eigentlich ein Teilbereich der Künstlichen Intelligenz aber auch gleichzeitig Schnittstelle zwischen Linguistik und Informatik. Verwandt dazu ist auch der Begriff der Kognitionswissenschaft, die einen eigenen interdisziplinären Wissenschaftszweig darstellt, der u.a. Linguistik, Informatik, Philosophie, Anthropologie, Psychologie und Neurologie verbindet. Anwendungsgebiete der Computerlinguistik sind die Spracherkennung und -synthese, automatische Übersetzung in andere Sprachen und Informationsextraktion aus Texten. Die Bioinformatik (englisch bioinformatics, auch computational biology) befasst sich mit den informatischen Grundlagen und Anwendungen der Speicherung, Organisation und Analyse von biologischen Daten befasst. Die ersten reinen Bioinformatikanwendungen wurden für die DNA-Sequenzanalyse entwickelt. Dabei geht es primär um das schnelle Auffinden von Mustern in langen DNA-Sequenzen und die Lösung des Problems, wie man zwei oder mehr ähnliche Sequenzen so übereinander legt und gegeneinander ausrichtet, dass man eine möglichst optimale Übereinstimmung erzielt (sequence alignment). Mit der Aufklärung und weitreichenden Funktionsanalyse verschiedener vollständiger Genome (z. B. des Fadenwurms Caenorhabditis elegans) verlagert sich der Schwerpunkt bioinformatischer Arbeit auf Fragestellungen der Proteomik, wie z.B. dem Problem der Proteinfaltung und Strukturvorhersage, also der Frage nach der Sekundär- oder Tertiärstruktur bei gegebener Aminosäuresequenz. Die Chemoinformatik (engl. chemoinformatics, cheminformatics oder chemiinformatics) bezeichnet einen Wissenschaftszweig, der das Gebiet der Chemie mit Methoden der Informatik verbindet und umgekehrt. Sie beschäftigt sich mit der Suche im chemischen Raum welcher aus virtuellen (in silico) oder realen Molekülen besteht. Die Größe des chemischen Raumes wird auf etwa

10^

Moleküle geschätzt und ist weit größer als die Menge der bisher real synthetisierten Moleküle. Somit lassen sich unter Umständen Millionen von Molekülen mit Hilfe solcher Computer-Methoden in silico testen, ohne diese explizit mittels Methoden der Kombinatorische Chemie oder Synthese im Labor erzeugen zu müssen. Die Geoinformatik (englisch geoinformatics) ist die Lehre des Wesen und der Funktion der Geoinformation und ihrer Bereitstellung in Form von Geodaten und mit den darauf aufbauenden Anwendungen auseinander. Sie bildet die wissenschaftliche Grundlage für Geoinformationssysteme (GIS). Allen Anwendungen der Geoinformatik gemeinsam ist der Raumbezug. Die Medieninformatik hat die Schnittstelle zwischen Mensch und Maschine als Schwerpunkt und befasst sich mit der Verbindung von Informatik, Psychologie, Arbeitswissenschaft, Medientechnik, Mediengestaltung und Didaktik. Weitere Schnittstellen der Informatik zu anderen Disziplinen gibt es als Umweltinformatik, Computervisualistik, in der medizinischen Informatik und der Rechtsinformatik. Die Zusammenarbeit mit der Mathematik oder der Elektrotechnik wird aufgrund der Verwandtschaft nicht als interdisziplinär bezeichnet.

Künstliche Intelligenz

interdisziplinär Die Künstliche Intelligenz (KI) ist ein großes Teilgebiet der Informatik mit starken Einflüssen aus Logik, Linguistik, Neurophysiologie und Kognitionspsychologie. Dabei unterscheidet sich die KI in der Methodik zum Teil erheblich von der klassischen Informatik. Statt eine vollständige Lösungsbeschreibung vorzugeben, wird in der Künstlichen Intelligenz die Lösungsfindung dem Computer selbst überlassen. Im Verständnis des Begriffs „Künstliche Intelligenz“ spiegelt sich oft die aus der Aufklärung stammende Vorstellung vom Menschen als Maschine wieder, dessen Nachahmung sich die sogenannte starke KI zum Ziel setzt: eine Intelligenz zu erschaffen, die wie der Mensch nachdenken und Probleme lösen kann und die sich durch eine Form von Bewusstsein beziehungsweise Selbstbewusstsein sowie Emotionen auszeichnet. Im Gegensatz zur starken KI geht es der schwachen KI darum, konkrete Anwendungsprobleme zu meistern. Insbesondere sind dabei solche Anwendungen von Interesse, zu deren Lösung nach allgemeinem Verständnis eine Form von „Intelligenz“ notwendig scheint. Letztlich geht es der schwachen KI somit um die Simulation intelligenten Verhaltens mit Mitteln der Mathematik und der Informatik; es geht ihr nicht um Schaffung von Bewusstsein oder um ein tieferes Verständnis von Intelligenz. Während die starke KI an ihrer philosophischen Fragestellung bis heute scheiterte, sind nur auf der Seite der schwachen KI in den letzten Jahren Fortschritte erzielt worden. Die Verfahren der KI finden Anwendung in Expertensystemen, in der Sensorik und Robotik.

Geschichte der Informatik

Ursprung der Wissenschaft

Die Wurzeln der Informatik liegen in der Mathematik, der Physik und der Elektrotechnik (hier vor allem der Nachrichtentechnik). Als Ingenieurwissenschaft konzipiert die Informatik mathematische Maschinen, mit denen Daten übertragen, gespeichert und durch Algorithmen automatisch verarbeitet werden können. Damit ermöglicht die Informatik insbesondere die maschinelle Simulation realer Prozesse. Als Hilfswissenschaft anderer Fachgebiete bildet die Informatik deren Gegenstände in abstrakte Strukturen ab und deren Prozesse in Algorithmen. Als Überbegriff rund um die Informationsverarbeitung sowie die entsprechenden Berufe hat sich die Informationstechnik (IT) etabliert.

Vorläufer des Computers

Informationstechnik Als erste Vorläufer der Informatik jenseits der Mathematik, also als Vorläufer der angewandten Informatik, können die Bestrebungen angesehen werden, zwei Arten von Maschinen zu entwickeln: Solche, mit deren Hilfe mathematische Berechnungen ausgeführt oder vereinfacht werden können (Rechenmaschine), und solche, mit denen logische Schlüsse gezogen und Argumente überprüft werden können (Logische Maschine). Als einfache Rechengeräte leisten Abakus (Rechentafel) und später der Rechenschieber unschätzbare Dienste. 1641 konstruiert Blaise Pascal eine mechanische Rechenmaschine, die Additionen inklusive Überträgen durchführen kann. Nur wenig später stellt Gottfried Wilhelm Leibniz eine Rechenmaschine vor, die alle vier Grundrechenarten beherrscht. Diese Maschinen basieren auf ineinandergreifenden Zahnrädern. Einen Schritt in Richtung größerer Flexibilität geht ab 1838 Charles Babbage, der eine Steuerung der Rechenoperationen mittels Lochkarten anstrebt. Erst Herman Hollerith ist aufgrund der technischen Fortschritte ab 1886 in der Lage, diese Idee gewinnbringend umzusetzen. Seine auf Lochkarten basierenden Zählmaschinen kommen unter anderem bei der Auswertung einer Volkszählung in den USA zum Einsatz. Die Geschichte der logischen Maschine wird oft bis ins 13. Jahrhundert zurückverfolgt und auf Raimundus Lullus zurückgeführt. Auch wenn seine rechenscheibenähnlichen Konstruktionen, bei denen mehrere gegeneinander drehbare Scheiben unterschiedliche Begriffskombinationen darstellen konnten, mechanisch noch nicht sehr komplex waren, war er wohl derjenige, der die Idee einer logischen Maschine bekannt gemacht hat. Von diesem sehr frühen Vorläufer abgesehen verläuft die Geschichte logischer Maschinen eher sogar zeitversetzt zu jener der Rechenmaschinen: Auf 1777 datiert ein rechenschieberähnliches Gerät des dritten Earl Stanhope, dem zugeschrieben wird, die Gültigkeit von Syllogismen (im aristotelischen Sinn) zu prüfen. Eine richtige Maschine ist erstmals in der Gestalt des Logischen Pianos von Jevons für das späte 19. Jahrhundert überliefert. Nur wenig später wird die Mechanik durch elektromechanische und elektrische Schaltungen abgelöst. Ihren Höhepunkt erleben die logischen Maschinen in den 1940er- und 1950er-Jahren, zum Beispiel mit den Maschinen des englischen Herstellers Ferranti. Mit der Entwicklung universeller digitaler Computer nimmt - im Gegensatz zu den Rechenmaschinen - die Geschichte selbstständiger logischen Maschinen ein jähes Ende, indem die von ihnen bearbeiteten und gelösten Aufgaben zunehmend in Software auf genau jenen Computern realisiert werden, zu deren hardwaremäßigen Vorläufern sie zu zählen sind.

Entwicklung des Computers

Software] Eine der ersten größeren Rechenmaschinen ist die von Konrad Zuse erstellte, noch immer rein mechanisch arbeitende Z1 von 1937. Vier Jahre später realisiert Zuse seine Idee mittels elektrischer Relais: Die Z3 von 1941 verfügt bereits über eine Trennung von Befehls- und Datenspeicher und ein Ein-/Ausgabepult. Etwas später werden in England die Bemühungen zum Bau von Rechenmaschinen zum Knacken von deutschen Geheimbotschaften unter maßgeblicher Leitung von Alan Turing mit großem Erfolg vorangetrieben. Die nächsten wesentlichen Entwicklungsschritte erfolgen in den USA. Einer der Hauptakteure ist hier John von Neumann, nach dem die bis heute bedeutende Von-Neumann-Architektur benannt ist. 1946 erfolgt die Entwicklung des Röhrenrechners ENIAC, 1949 wird der EDSAC gebaut. Ab 1952 steigt IBM in die Entwicklung von Computern ein und steigt innerhalb von zehn Jahren zum Marktführer auf. Mit der Entwicklung der Transistortechnik und der Mikroprozessortechnik werden Computer von dieser Zeit an immer leistungsfähiger und preisgünstiger. Im Jahre 1982 erobert die Firma Commodore schließlich mit dem C64 den Massenmarkt.

Entwicklung der Informatik als Wissenschaft

Bereits Leibniz hatte sich mit binären Zahlendarstellungen beschäftigt. Gemeinsam mit der Booleschen Algebra, die zuerst 1847 von George Boole ausgearbeitet wurde, bilden sie die wichtigsten mathematischen Grundlagen späterer Rechensysteme. 1936 veröffentlicht Alan Turing seine epochemachende Arbeit On Computable Numbers, in welcher die nach ihm benannte Turingmaschine vorgestellt wird, ein mathematisches Maschinenmodell, das bis heute für die Theoretische Informatik von größter Bedeutung ist. Bereits einige Jahre zuvor hatte Kurt Gödel das Entscheidungsproblem gemäß dem Hilbertprogramm negativ beantwortet, und dieses Ergebnis bestätigte Turing nun unter Verwendung eines Maschinenmodells. Dem Begriff der Berechenbarkeit liegen bis heute universelle Modelle wie die Turing- oder Registermaschine zu Grunde, und auch die Komplexitätstheorie, die sich ab den 1960er Jahren zu entwickeln begann, greift bis in die Gegenwart auf Varianten dieser Modelle zurück.

Formale Sprachen und Programmiersprachen

1956 beschreibt Noam Chomsky eine Hierarchie formaler Grammatiken, mit denen formale Sprachen und jeweils spezielle Maschinenmodelle korrespondieren. Diese Formalisierungen erlangen für die Entwicklung höherer Programmiersprachen große Bedeutung. Wichtige Meilensteine sind die Entwicklung von FORTRAN (1954), Lisp (1959), BASIC (1960), C (1970), Pascal (1971), Smalltalk (1980) und Java (1995). Einige dieser Sprachen stehen für typische Programmierparadigmen ihrer jeweiligen Zeit. Sprachen und Paradigmenwechsel wurden von der Informatik-Forschung jeweils intensiv begleitet oder vorangetrieben. Indessen schreibt nahezu jeder wichtige Teilbereich der Informatik seine eigene Geschichte, die im Einzelnen zu verfolgen den Rahmen dieses Abschnitts sprengen würde. Wie in anderen Wissenschaften auch, schreitet die Informatik mit zunehmender Nähe zur Gegenwart in Richtung einer immer größeren Spezialisierung fort.

Informatik und Gesellschaft

Mit der zunehmenden Verbreitung des Computers entstehen auch gesellschaftliche Probleme, die in der Öffentlichkeit oft kontrovers und sehr emotional diskutiert werden.

Datenschutz

Eines dieser Themen ist der Schutz der Privatsphäre des Computerbenutzers. Durch die Vernetzung ist es nicht nur möglich schnell beliebige Informationen abzufragen. Umgekehrt wird auch das Ausspähen von persönlichen Informationen durch Behörden, Unternehmen und Kriminellen ermöglicht. Ziel sind zum einen Verhaltensweisen von Kunden bei Onlinekäufen, aber auch der persönliche E-Mailverkehr oder Zugangsdaten zu Banken. Hier hat ein gegenseitiges Aufrüsten stattgefunden, persönliche Daten über Verschlüsselungen gegen Unbefugten Zugriff zu sichern, während auf der anderen Seite mittels Cookies, Spyware oder Phishing versucht wird die Schutzmechanismen auszuhebeln. Unternehmen suchen gezielt nach typischen Verhaltensweisen von Kunden über Datamining. Die so gewonnen Informationen werden dann auf das individuelle Profil einzelner Kunden angewandt. Dies dient entweder zum anbieten von mehr oder weniger maßgeschneiderter Werbung (Spam), aber auch zum Selektieren von geeigneten und weniger geeigneten Kunden. Beim Abschluss einer Versicherung versuchen Unternehmen mittlerweile gezielt Kunden mit geringem Risiko durch bessere Konditionen an sich zu binden. Kunden aus Risikogruppen hingen erhalten verteuerte Konditionen oder werden sogar ausgeschlossen. Ein besonderes Interesse am Zugriff zu persönlichen Daten haben Stafverfolgungsbehörden bei der Bekämpfung von Terrorismus und organisierter Kriminalität. So beschäftigt das Federal Bureau of Investigation (FBI) und die National Security Agency (NSA) Spezialisten zum systematischen Auswerten des Datenverkehrs im Internet. Hier wird eine spezielle Software (Carnivore) eingesetzt, um E-Mails nach bestimmten Stichworten zu durchsuchen. Durch den Einsatz der sogennanten starken Kryptographie, wie sie das Tool PGP Privatpersonen zur Verfügung stellt, ist jedoch der Wert dieser Software in Frage gestellt. Derartig verschlüsselte E-Mails sind auch von den Experten der NSA nicht mehr zu entschlüsseln. Aus diesem Grunde gibt es Bestrebungen in allen Ländern derartige Verschlüsselungsverfahren zu verbieten. Ein Verbot wäre jedoch ebenfalls nicht wirksam, da eine geschickt verschlüsselte Botschaft mittels Steganographie nicht als solche zu erkennen ist. Das heißt, dass ein solches Verbot den Einsatz starker Kryptographie durch Kriminelle nicht verhindern kann. Betroffen von einem solchen Verbot wären also lediglich die rechtschaffenen Bürger, die sich selbst gegen kriminelles Ausspähen schützen wollen.

Softwarepatente

Ein Softwarepatent ist ein Patent auf eine Methode zur Programmierung eines Computers. Eine allgemein akzeptierte genaue Definition des Begriffs hat sich bisher noch nicht etabliert. Befürworter von Softwarepatenten sind i.d.R. große Unternehmen, die ihre Produkte gegen Nachahmung schützen wollen. Sie argumentieren, der Sinn von Softwarepatenten sei (wie bei normalen Patenten auch), die Entwicklungskosten der Produkte in einer kurzen Monopolphase wieder hereinzuholen. Gegner führen an, Softwarepatente seien - anders als technische Erfindungen - ähnlich wie mathematische Erkenntnisse als Wissen einzuordnen und deshalb prinzipiell nicht schützbar. Außerdem seien die Produktzyklen im Computerbereich ungleich kürzer als in anderen Branchen, deswegen bedeute ein Softwarepatent einen unfair langen Stillstand des Wettbewerbes.

Bewegungen

Seit Beginn des Computerzeitalters gibt es Organisationen und Vereinigungen, die sich für Datenschutz, Informationsfreiheit und freie Software einsetzen. Am bekanntesten davon sind das GNU-Projekt und die Free Software Foundation, die von Richard Stallman ins Leben gerufen wurden. Stallman entwickelte Lizenzen für freie Software und freie Dokumentation, unter welchen viele Projekte wie auch die Wikipedia entwickelt werden. In Deutschland genießt vor allem der Chaos Computer Club hohe Bekanntheit.

Kritik am Verhältnis von Mensch und Computer

Viele Leute, darunter auch Informatiker wie Joseph Weizenbaum, mahnen zu einem sorgsameren Umgang mit moderner Technik und dem Computer. Weizenbaum schrieb in den 1960ern das Computer-Programm ELIZA, mit dem er die Verarbeitung natürlicher Sprache durch einen Computer demonstrieren wollte; Eliza wurde als Meilenstein der „künstlichen Intelligenz“ gefeiert und sollte menschliche Psychologen bald ablösen. Weizenbaum war entsetzt über die Wirkung seines relativ einfachen Programms, das nie zum Ersetzen eines Therapeuten konzipiert gewesen war, und wurde durch dieses Schlüsselerlebnis zum Computer- und Medienkritiker. Die weite Verwendung von Computern führt in neuerer Zeit zu einer breiten öffentlichen wie wissenschaftlichen Diskussion über die Wirkungen auf die Sozialisation und das Lernverhalten, insbesondere von Kindern und Jugendlichen. Es herrscht weitgehender Konsens, dass es Effekte gibt, allerdings sind Untersuchungen methodisch schwierig oder kommen zu widersprüchlichen Ergebnissen.

Siehe auch

- Siehe Portal Informatik als Wegweiser zu Artikeln rund um die Informatik.
- Siehe IT-Berufe für eine Übersicht der Berufe rund um die Informatik.
- Siehe Portal Datenschutz zur Einschränkung von Rechten durch Informatik-Einsatz.

Literatur

- Heinz-Peter Gumm, Manfred Sommer: Einführung in die Informatik. 5. Auflage. Oldenbourg, München 2002, ISBN 3-486-25635-1
- Sascha Kersken: Kompendium der Informationstechnik. Galileo Press, Bonn 2003, ISBN 3-89842-355-7 ([http://www.galileocomputing.de/openbook/kit/ OpenBook-Version])
- Peter Rechenberg, Gustav Pomberger (Hrsg.): Informatik-Handbuch, 3. Auflage. Hanser 2002, ISBN 3-446-21842-4
- Gesellschaft für Informatik: [http://www.gi-ev.de/fileadmin/redaktion/Download/gi-positionspapier-was-ist-informatik.pdf Was ist Informatik? Positionspapier der Gesellschaft für Informatik.] (PDF) Juli 2005

Weblinks

Deutschland

- [http://www.studieren.de/suchdb.asp?suchstr=Informatik&method=stud&button=Suchen Liste mit Informatikstudiengängen an deutschen Hochschulen]
- [http://www.kreissl.info Tutorials zu den Kerngebieten der Informatik RA,DB,ST,KI und BS]
- [http://www.grundstudium.info Materialien zum Grundstudium in Informatik]
- [http://www.gi-ev.de Gesellschaft für Informatik e.V. (GI)]

Österreich

- [http://www.ocg.at/ Österreichische Computergesellschaft]
- [http://www.informatiker.at.tf Informationen für das Informatikstudium von und für Informatikstudenten]

Schweiz

- [http://www.i-s.ch/ Informatik Schweiz I-S]
- [http://www.schweizer-informatik.ch/ Schweizer Informatik] Kategorie:Wissenschaft ja:情報工学 ko:컴퓨터 과학 simple:Computer Science th:วิทยาการคอมพิวเตอร์ zh-cn:计算机科学 zh-tw:計算機科學

Inkonsistenz

Inkonsistenz (v.lat.:in nicht, con zusammen, sistere halten) bezeichnet einen Zustand, in dem zwei Dinge, die beide als gültig angesehen werden sollen, nicht miteinander vereinbar sind. Die Konsistenz ist der gegensätzliche Begriff dazu. 1. In der Soziologie erscheint der Begriff der "Statusinkonsistenz", die vorliegt, wenn man nach einem Merkmal (z.B. Ausbildung) hoch, nach einem anderen (z.B. Vermögen) niedrig einzuschätzen ist (siehe Sozialstruktur). 2. In der Psychologie und Verhaltensforschung wird der Begriff in Bezug auf widersprüchliches, unschlüssiges oder - vom Standpunkt des Beobachters aus - unmotiviertes Verhalten eines Individuum verwendet -> inkonsistentes Verhalten. 3. In der Informatik bedeutet Inkonsistenz von Daten Widersprüchlichkeit zwischen den Daten. So können in einer Datenbank beispielsweise Verknüpfungen zwischen Tabelleneinträgen nicht mehr eindeutig sein, weil der Verbindungsschlüssel auf keinen oder mehrere Einträge in einer anderen Tabelle verweist. 4. In der Logik, insbesondere der Aussagenlogik und Prädikatenlogik, versteht man unter der Inkonsistenz einer Formel die Unerfüllbarkeit der Formel, d.h. es gibt keine Interpretation der Formel, so dass diese wahr ist.

Datenbank

Eine Datenbank ist die elektronische Form eines Karteikastens bzw. eines Systems zusammengehöriger Karteikästen. Es handelt sich um eine Sammlung von Daten, die aus der Sicht des Benutzers zusammengehören, z. B. eine Personaldatenbank oder eine Lagerinventardatenbank. Die Datenbank wird üblicherweise von einem Datenbankverwaltungssystem (engl. database management system, DBMS) verwaltet. Ein DBMS zusammen mit einer oder mehreren Datenbanken nennt man Datenbanksystem (DBS). Es gibt hierarchische, relationale (RDBMS), multidimensionale und objektorientierte Datenbanken. In der Praxis wird der Begriff "Datenbank" mehrdeutig verwendet. Er kann sowohl die gesamte Anwendung (DBMS, zugehörige Programme und Dateninhalte) im Sinne einer "Daten-Bank" bezeichnen (engl. databank), als auch den reinen Datenspeicher als technische Daten-Basis (engl. database). Ferner verwenden die einzelnen DBMS-Hersteller geringfügig voneinander abweichende Begrifflichkeiten dafür, was man genau unter einer Datenbank versteht: entweder alle Daten, die von einer DBMS-Installation bzw. -Instanz verwaltet werden, oder nur die jeweils inhaltlich zusammengehörigen Daten. Das grundlegende Element einer Datenbank ist der Datensatz. Jeder Datensatz besteht wiederum aus einer festen Anzahl von Datenelementen, den Attributen. Vergleicht man eine Datenbank mit einem Karteikasten-System, so entspricht ein Datensatz einer Karteikarte. Die Attribute sind dann Einträge innerhalb der Karte. Datensätze werden in den meisten Datenbanken in einer Tabelle gespeichert. Mehrere Tabellen können wiederum in einer inhaltlichen Beziehung zueinander stehen. So kann eine Tabelle, die Kundendaten speichert, in Zusammenhang mit einer Tabelle von gekauften Produkten stehen. Eine Firma kann so ermitteln, welcher Kunde welche Produkte gekauft hat.

Verwendung von Datenbanken

Datenbanken sind heute ein zentraler Bestandteil fast jedes Softwaresystems. Sie verwalten Lagerbestände eines Unternehmens, Patienteninformationen in Krankenhäusern, Telefondaten in der Auskunft, Finanztransaktionen in der Bank. Damit stellen sie einen kritischen Teil jedes Unternehmens und jeder Behörde dar. Von der Verfügbarkeit, Vollständigkeit und Richtigkeit der Daten hängt die Aktionsfähigkeit eines Unternehmens ab. Die vollständige Automatisierung von Lagerbeständen macht eine manuelle Verwaltung heute unmöglich. Der Verlust einer Lagerdatenbank kann somit das Unternehmen in sehr kurzer Zeit finanziell ruinieren, da georderte Produkte nicht ausgeliefert werden können oder gar die Aufträge selbst verloren sind. Die Datensicherheit ist daher ein wichtiger und gesetzlich vorgeschriebener Bestandteil der IT eines Unternehmens oder einer Behörde. Datenbankmanagementsysteme übernehmen somit eine wichtige Funktion eines Softwaresystems. Sie garantieren den schnellen und dauerhaften Zugriff auf die Daten sowie den Schutz gegen unerlaubten Zugriff und Systemfehler. Aus diesem Grunde sind Datenbankmanagementsysteme selbst hochkomplexe Softwaresysteme.

Beispiel von Datenbanktabellen

Die folgenden beiden Tabellen könnten so bei einem Händler verwendet werden: Beide Tabellen stehen in einer Beziehung zu einander. Jeder Titel gehört zu einer in CD gespeicherten CD. Die Zuordnung geschieht dabei über das Attribut CD_ID.

Geschichte

Die erste Generation von Datenbanken bestand aus Lochkarten. Ein Nachteil war, dass die Lochkarten hintereinander (sequentiell) gelesen werden mussten, was zur Folge hatte, dass alle Informationen, die vor der gesuchten standen, ausgelesen und verarbeitet werden mussten. Eine ähnliche Verarbeitungsform hatten Magnetbänder, auf denen nur sequentielle Daten gespeichert werden konnten. Die zweite Generation der Datenbanken wurde ca. 1960 entwickelt. Zu diesem Zeitpunkt begann man, die Daten auf Festplatten zu halten. Deren Eigenschaft des wahlfreien Zugriffs führte zu einem erheblichen Performance-Vorteil. Weiterhin erlaubte der Mehrbenutzerbetrieb vielen Benutzern den gleichzeitigen Zugriff auf die Datenbank. Zwischen 1965 und 1975 wurde die dritte Generation der Datenbanken entwickelt. In dieser Zeit entstanden das Hierarchische Datenbankmodell und die Netzwerkdatenbank. Im Gegensatz zu hierarchischen Datenbanken können in Netzwerkdatenbanken die Datensätze auf mehreren Wegen verknüpft sein und nicht nur entlang einfacher Eltern-Kind-Beziehungen. Eine heute noch häufig eingesetzte Netzwerkdatenbank ist IDMS der Firma Computer Associates. Einen wesentlichen Fortschritt erzielte in den 1960er und 1970er Jahren Edgar F. Codd mit seiner Forschungsarbeit am IBM Almaden Research Center in San Jose. Codd entwickelte die Grundlagen der ersten experimentellen relationalen Datenbank System R. Die Firma Oracle entwickelte das erste kommerzielle Datenbankmanagementsystem. Relationale Datenbanken sind heute am weitesten verbreitet. In ihnen werden Daten (Texte, Zahlen und Binärdaten) in Tabellen abgespeichert. Die Bezeichnung relational entstammt dem zugrunde liegenden mathematischen Modell, auf dem diese Datenbanken beruhen, der relationalen Algebra. Eine neuere Entwicklung sind objektorientierte Datenbanken (OODBMS). Bei relationalen Datenbanken geht es zuerst um die Struktur, in der die jeweiligen Daten gespeichert werden sollen. Objektorientierte Datenbanken dagegen folgen der objektorientierten Programmiermethode, d. h. es kommen erst die Daten, an denen sich die Datenbankstruktur dann orientiert. Eine hervorgehobene Eigenschaft von OODBMS ist die Möglichkeit, die Objekte der OO-Programmierungswelt mit wenig Programmieraufwand persistent zu machen, also zwischen Programmläufen abzuspeichern. Ein Beispiel für ein objektorientiertes Datenbankverwaltungssystem ist Caché von Intersystems.

Datenbankmodelle

Es gibt verschiedene Typen von Datenbanken. Im einfachsten Falle kann eine einfache Liste von Datensätzen eine Datenbank sein. Solche Daten werden als zeichenseparierte Datendatei (engl.: comma-separated value file oder kurz CSV file) bezeichnet. Dabei wird jeder Datensatz in einer Zeile gespeichert. Jede Zeile enthält die Attribute, die meist durch Kommata, oft aber auch (dem Namen widersprechend) Tabulatoren getrennt werden. Diese Vorgehensweise hat jedoch eine Reihe von schwerwiegenden Nachteilen. So ist zum Beispiel nicht vorhersehbar, was beim gleichzeitigen Zugriff mehrerer Benutzer auf diese Datei geschieht. Ausserdem gestaltet sich die Suche in den Daten als sehr aufwändig und muss immer wieder aufs neue erfunden werden. Wird die Datei sehr gross, so wirkt sich vor allem die mangelnde Fähigkeit zur Erstellung eines Indexes negativ auf die Ausführungsgeschwindigkeit aus. Die Datei wird stets mit einer linearen Suche komplett gelesen. Zu diesem Zwecke wurden Datenbank-Management-Systeme (DBMS) entwickelt, deren Aufgabe die Lösung aller Probleme der Datenverwaltung ist. Hierzu wurden verschiedene Konzepte entwickelt. Die wichtigsten sind:
- Relationalen Datenbankmodell (RDBMS)
- Objektorientiertes Datenbankmodell
- XML-Datenbankmodell Weiterhin gibt es einige weniger gebräuchliche Sonderfälle:
- Deduktive Datenbanken
- Multidimensionale Datenbanken
- Indexsequentielle Datenbanken (ISAM)
- Hierarchisches Datenbankmodell
- Netzwerkdatenbankmodell
- Verteiltes Datenbankmanagementsystem
- Postrelationales Datenbankmodell (Caché)
- Dokumentorientiertes Datenbankmodell (Lotus Notes)

Siehe auch

- Datenbanksysteme, alphabetische Liste
- Datenbankanwendung
- Informationssystem
- Datenbankmodell/Datenmodell bzw. ER-Modell
- Normalisierung (Datenbank)
- Tuning (Datenbank)

Literatur

- Ramez Elmasri, Shamkant B. Navathe: Grundlagen von Datenbanksystemen, Pearson Studium, ISBN 3-8273-7021-3
- Tobias Eggendorfer: Datenbanksysteme für Wirtschaftsinformatiker - Eine Einführung, Books on Demand, ISBN 3-8334-2493-1
- Helmut Eirund, Ullrich Kohl: Datenbanken, leicht gemacht. Ein Arbeitsbuch für Nicht-Informatiker, Teubner Verlag, ISBN 3-519-02644-9
- Alfons Kemper, André Eickler: Datenbanksysteme, Oldenbourg Verlag, ISBN 3-486-25706-4
- Gottfried Vossen: Datenmodelle, Datenbanksprachen und Datenbankmanagementsysteme, Oldenbourg Verlag, ISBN 3-486-25339-5
- Andreas Heuer, Gunter Saake: Datenbanken: Konzepte und Sprachen, MITP Verlag, ISBN 3-8266-0619-1
- Andreas Heuer, Gunter Saake, Kai-Uwe Sattler: Datenbanken: Implementierungstechniken, MITP Verlag, ISBN 3-8266-1438-0
- Carl A. Zehnder: Informationssysteme und Datenbanken, VDF Hochschulverlag, ISBN 3-7281-3002-8
- Markus Schneider: Implementierungskonzepte für Datenbanksysteme, Springer, ISBN 3-540-41962-4
- Josef L. Staud: Datenmodellierung und Datenbankentwurf - Ein Vergleich aktueller Methoden, Springer, ISBN 3-540-20577-2
- Matthias Schubert: Datenbanken - Theorie, Entwurf und Programmierung relationaler Datenbanken, Teubner, ISBN 3-519-00505-0
- DBLP: Bibliographisches Verzeichnis mit dem Schwerpunkt Datenbanksysteme und Logik Programmierung.
- Rolland, F. D.: Datenbanksysteme im Klartext, Pearson Studium, ISBN 3-8273-7066-3

Weblinks

- [http://www.kreissl.info/diggs/db_inhalt.php Einführung in Datenbankmanagementsysteme - Online Tutorial]
- [http://itse-guide.de/artikel/1 Grundlagen Datenbanken]
- [http://www.madeasy.de/2/datbank.htm Datenbanken - Das Wichtigste]
- [http://www.meddb.info/ Medizinische und Molekularbiologische Datenbanken]
- [http://dbwiki.de/ Datenbank-Entwickler Wiki]
- [http://opendb.de/ Portal zu Open Source Datenbanken] ja:データベース ko:데이터베이스 th:ฐานข้อมูล

Physik

Die Physik (griechisch φυσική, physike „die Natürliche“) ist die Naturwissenschaft, welche die grundlegenden Gesetze der Natur, ihre elementaren Bausteine und deren Wechselwirkungen untersucht. Sie befasst sich sowohl mit den Eigenschaften und dem Verhalten von Materie und Feldern in Raum und Zeit als auch mit der Struktur von Raum und Zeit selbst. Die Physik beschreibt die Natur quantitativ mittels naturwissenschaftlicher Modelle, sogenannter Theorien, und ermöglicht damit insbesondere Vorhersagen über das Verhalten der betrachteten Systeme. Dazu verwendet die Physik die Sprache der Mathematik. Im Zusammenhang mit der Physik wurde auch erstmals die Frage nach der Ethik naturwissenschaftlicher Forschung aufgeworfen, ein Thema, das auch in der Literatur, etwa in dem Theaterstück Die Physiker von Friedrich Dürrenmatt, aufgegriffen worden ist.

Das Theoriengebäude der modernen Physik

Das Theoriengebäude der Physik ruht auf zwei Säulen, der Relativitätstheorie und der Quantenphysik. Beide Theorien enthalten ihren Vorgänger, die Newtonsche Physik, über das so genannte Korrespondenzprinzip als Grenzfall und haben daher einen größeren Gültigkeitsbereich als diese.

Die Relativitätstheorie

Die Relativitätstheorie führt ein völlig neues Verständnis der Phänomene Raum und Zeit ein. Danach handelt es sich nicht um universell gültige Ordnungsstrukturen, sondern räumliche und zeitliche Abstände werden von verschiedenen Beobachtern unterschiedlich beurteilt. Raum und Zeit verschmelzen dabei zu einer vierdimensionalen Raumzeit. Die Gravitation wird auf eine Krümmung dieser Raumzeit zurückgeführt, die durch die Anwesenheit von Masse bzw. Energie hervorgerufen wird. In der Relativitätstheorie wird auch erstmals die Kosmologie zu einem naturwissenschaftlichen Thema. Die Formulierung der Relativitätstheorie gilt als der Beginn der modernen Physik, auch wenn sie häufig als Vollendung der klassischen Physik bezeichnet wird.

Die Quantenphysik

Die Quantenphysik beschreibt die Naturgesetze im atomaren und subatomaren Bereich und bricht noch radikaler mit klassischen Vorstellungen als die Relativitätstheorie. Viele physikalische Größen erweisen sich in bestimmten Situationen als quantisiert, das heißt sie nehmen stets nur bestimmte diskrete Werte an und ändern sich in Form von Quantensprüngen. Materie erweist sich als Phänomen, das nur in Portionen, den sogenannten Elementarteilchen oder Quanten, in Erscheinung tritt. Ihr Aufenthaltsort lässt sich nicht mehr durch eine Bahn im Raum beschreiben sondern durch Wellen, über die eine Wahrscheinlichkeit dafür angegeben werden kann, das Teilchen bei einer Messung in einem bestimmten Raumgebiet zu finden. Man spricht von einem Welle-Teilchen-Dualismus. Der Aufenthaltsort eines Teilchens zwischen zwei solcher Messungen ist nicht nur unbekannt, sondern sogar nicht definiert. Die meisten Physiker folgern daraus, dass letztlich die Vorstellung von der Existenz einer vom Beobachter unabhängigen Realität aufgegeben werden muss. Hinsichtlich der Eigenschaften dieser Teilchen spielen Symmetrieeigenschaften eine zentrale Rolle. Die Gesetze der Quantenphysik entziehen sich weitgehend der menschlichen Anschauung, und über ihre Interpretation herrscht auch heute noch kein Konsens (Deutungen der Quantenphysik). Dennoch zählt sie hinsichtlich ihres empirischen Erfolges zu dem am besten gesicherten Wissen der Menschheit überhaupt.

Die vier Grundkräfte

Die moderne Physik kennt die folgenden vier Grundkräfte:
- Die Gravitation oder Schwerkraft,
- die elektromagnetische Wechselwirkung,
- die schwache Wechselwirkung, die beispielsweise für bestimmte radioaktive Zerfallsprozesse verantwortlich ist und
- die starke Wechselwirkung, die die Atomkerne zusammenhält. Eines der Ziele der Physik ist es, alle Grundkräfte in einem vereinheitlichten Gesamtkonzept zu beschreiben. Bisher ist es jedoch lediglich gelungen, die elektromagnetische Wechselwirkung als Vereinigung der elektrischen und der magnetischen Wechselwirkung darzustellen und ebenso die elektromagnetische Wechselwirkung und die schwache Wechselwirkung zu einer sogenannten elektroschwachen Wechselwirkung zu vereinigen. Zur Vereinigung der elektroschwachen- und starken Wechselwirkung wurde die Theorie der Supersymmetrie erdacht, deren Gültigkeit allerdings umstritten ist. Die größten Schwierigkeiten treten im Bereich der Gravitationskraft auf, da über sie - auch wenn schon lange bekannt - doch nur wenig gesichertes Wissen vorliegt. Maßgebliches Problem hierbei ist ihr kaum messbarer Einfluss auf alle Systeme, im Labormaßstab. Zu diesen fundamentalen Wechselwirkungen kommt noch ein fundamentales Prinzip der Quantenphysik, das Pauli-Prinzip. Aus diesem Prinzip leitet sich mittelbar eine weitere Wechselwirkung ab, die Austauschwechselwirkung.

Derzeitige Grenzen der physikalischen Erkenntnis

Das Ziel der heutigen Physik ist es, sämtliche Vorgänge der Natur durch eine möglichst geringe Anzahl von möglichst einfachen Naturgesetzen zu beschreiben und auf die Wechselwirkung weniger Elementarteilchen zurückzuführen. Inwieweit dieses Ziel prinzipiell oder praktisch erreichbar ist, ist völlig offen. Immerhin ist der Gültigkeitsbereich der bekannten physikalischen Gesetze äußerst weitreichend. Ungeklärte Phänomene der Physik lassen sich zwei grundsätzlich verschiedenen Gruppen zuordnen:
- Phänomene, deren zugrundeliegende Gesetze noch unbekannt sind. Dazu zählen insbesondere Phänomene der Teilchenphysik und solche, zu deren Beschreibung die allgemeine Relativitätstheorie und die Quantenphysik zugleich erforderlich sind, wie beispielsweise der Urknall. Der Grund hierfür ist, dass es bisher nicht gelungen ist, eine in sich geschlossene Quantenfeldtheorie zu formulieren, welche die Quantenphysik und die Relativitätstheorie vollständig vereinigt.
- Phänomene, die zwar bekannten Gesetzen gehorchen, deren Beschreibung jedoch an der mathematischen Komplexität scheitert. Für solche Situationen versucht man berechenbare Näherungsmodelle zu entwickeln, deren Qualität und Gültigkeitsbereich sich oft nur experimentell ermitteln lassen. Eins der bedeutendsten ungelösten Probleme in diesem Zusammenhang ist das des menschlichen Bewusstseins. Insbesondere die Frage, zu welcher der beiden Problemgruppen es zu zählen ist, wird kontrovers diskutiert. Die Physik ist prinzipiell nicht in der Lage, Aussagen über das Wesen der Dinge an sich zu treffen. Sie beschränkt sich darauf, die Gesetzmäßigkeiten zu ergründen, denen die Dinge unterworfen sind. Warum die Natur überhaupt gewissen Gesetzen gehorcht, ist letztlich unbekannt. Eine partielle Antwort gibt lediglich das anthropische Prinzip, indem es feststellt, dass es in einem Kosmos ohne Naturgesetze niemanden geben würde, der sich über deren Abwesenheit wundern könnte.

Themenbereiche der Physik

Im Folgenden werden die verschiedene Themenbereiche der Physik mit Kurzkommentar dargestellt und zwar nach übergeordnetem, theoretischen Rahmen eingeordnet und gleichzeitig weitgehend chronologisch sortiert. Viele der aufgeführten Themen lassen sich nicht eindeutig einer Theorie zuordnen. So sind beispielsweise viele Phänomene der Thermodynamik nur auf Basis der Quanten- und Relativitätstheorie erklärbar. In diesen Fällen ist das Thema unter der ältesten Theorie eingeordnet und bestehende maßgebliche Bezüge zu jüngeren Theorien sind mit (RT) für die Relativitäts- und (QT) für die Quantentheorie angedeutet. Die Liste enthält sowohl phänomenorientierte Sachgebiete als auch Querschnittstheorien (QST) mit gebietsübergreifendem Anwendungsbereich. Siehe auch das Physik-Portal mit unkommentierten, aber nach verschieden Kriterien sortierten Themenlisten sowie die alphabetische Liste physikalischer Themen.

Die newtonsche Physik einschließlich der Elektrodynamik

... ist der Bereich der Physik, der bis zur Entdeckung der Relativitätstheorie bekannt war.
- Die klassische Mechanik von Isaac Newton war die erste geschlossene physikalische Theorie überhaupt. Sie beschreibt die Bewegung von Körpern unter der Einwirkung von Kräften, einschließlich solcher Kräfte, die zwischen den Körpern wirken (Wechselwirkungskräfte).
- Die Akustik behandelt die Eigenschaften von Schallwellen.
- Die Optik behandelt die Eigenschaften des Lichtes und dessen Beeinflussung durch Materie.
- Die Wellenlehre als theoretische Disziplin bildet die mathematische Grundlage für Beschreibungen von Schwingungsvorgängen in Akustik, Optik und Atomphysik (QST/QT).
- Die Elektrodynamik beschreibt elektrische und magnetische Phänomene. Obwohl bereits früher bekannt, erhielt sie erst durch die Entdeckung der speziellen Relativitätstheorie ihr theoretisches Fundament (RT).
- Die Thermodynamik, auch statistische Mechanik oder Wärmelehre behandelt alle Vorgänge, bei denen Wärme und Temperatur eine Rolle spielen. Ihr Anwendungsbereich reicht jedoch weit darüberhinaus (QST/RT/QT).
- Die Kontinuumsmechanik ist die Verallgemeinerung der klassischen Mechanik auf kontinuierliche Medien.
- Die Strömungslehre behandelt die Dynamik von Fluiden, das heißt nicht fester Substanzen. Untergebiete sind die Hydrodynamik (Dynamik der Flüssigkeiten) und die Aerodynamik (Dynamik von Gasen).
- Die nichtlineare Dynamik und die Physik der komplexen Systeme befassen sich unter anderem mit Chaostheorie, Strukturbildung und Selbstorganisation (QST).

Die Relativitätstheorie

... befasst sich mit der Struktur von Raum und Zeit sowie mit dem Wesen der Gravitation. Die Einheit von newtonscher Physik, Elektrodynamik und Relativitätstheorie wird als Klassische Physik bezeichnet.
- Die spezielle Relativitätstheorie beschreibt das Verhalten von Raum, Zeit und Massen aus der Sicht von Beobachtern, die sich relativ zueinander bewegen. Dabei werden primär konstante Geschwindigkeiten betrachtet (QST).
- Die allgemeine Relativitätstheorie baut auf der speziellen auf und führt das Phänomen der Gravitation auf eine Krümmung von Raum und Zeit zurück.

Die Quantenphysik

... ist zur Beschreibung von Phänomenen im Mikrokosmos erforderlich, wo die Gesetze der klassischen Mechanik an ihre Grenze gelangen. Während sie experimentell immer wieder hervorragend bestätigt wird und die gesamte moderne Technologie auf ihr basiert, wird bis heute über ihre korrekte Interpretation gestritten. Im folgenden sind insbesondere Themen der nichtrelativistischen Quantenmechanik aufgeführt, bei denen sich die Zahl der beteiligten Teilchen nicht ändert.
- Aufgabe der Atomphysik ist es, den Aufbau und die Eigenschaften der Atome und ihre Spektren zu erklären. Sie beschränkt sich dabei in der Regel auf einen Energiebereich, in dem der Atomkern als strukturlos angesehen werden kann (RT).
- Die Molekularphysik beschreibt das Zusammenwirken verschiedener Atome und stellt die Verbindung zur Chemie und physikalischen Chemie her.
- Die Kernphysik studiert alle mit dem Atomkern zusammenhängenden Phänomene, die Kernstruktur und Kernreaktionen (RT).
- Die Laserphysik ist ein Teilgebiet der Optik. Ihre Aufgabe ist die Entwicklung und wissenschaftliche Untersuchung der verschiedenen Laser-Typen (RT).
- Die Plasmaphysik untersucht die Eigenschaften von Plasmen, d. h. hochgradig ionisierten Materiezuständen (RT).
- Gegenstand der Tieftemperaturphysik ist Untersuchung von Ordnungsphänomenen in Materie, die bei höheren Temperaturen aufgebrochen werden.
- Die Physik kondensierter Materie beschreibt Phänomene (korrelierter) Vielteilchensysteme. Die Physik der Kondensierten Materie unterscheidet sich grundlegend von der freier Teilchen.
- Die Festkörperphysik und Halbleiterphysik befasst sich mit der Physik von Materie im festen Aggregatzustand, insbesondere (aber nicht ausschließlich) von fester Materie mit periodischem Aufbau.
- Die Physik der Flüssigkeiten ist ein Teilgebiet der Fluidmechanik und befasst sich mit Materie im flüssigen Aggregatzustand. Die Bausteine der Flüssigkeit weisen eine gegenseitige Beweglichkeit auf (Translation und Rotation). Dennoch sind (im Unterschied zum idealen Gas) bei Flüssigkeiten im Nahbereich Korrelationen beobachtbar.
- Die Physik der Flüssigkristalle beschreibt die Physik von Materie, die sowohl Elemente einer kristallinen Ordnung aufweisen als auch die einer ungeordneten Flüssigkeit: Die Bausteine von Flüssigkristallen weisen die Beweglichkeit einer Flüssigkeit auf (genauer Translation), besitzen jedoch eine wohldefinierte gegenseitige Orientierung.
- Die Physik der weichen Materie beschreibt die Eigenschaften von Polymeren, Kolloiden und Membranen.
- Die Grenzflächenphysik beschreibt die besonderen physikalischen Phänomene an der Oberfläche kondensierter Materie. Ein Spezialfall der Grenzflächenphysik ist die Oberflächenphysik.

Die relativistische Quantenphysik

... befasst sich mit Phänomenen, zu deren Beschreibung die Quantenphysik und die Relativitätstheorie zugleich erforderlich sind.
- Die Elementarteilchenphysik, auch Teilchenphysik oder Hochenergiephysik, ist die Lehre von den elementarsten Grundbausteinen der Materie und ihrem Verhalten.
- Die Quantenfeldtheorie ist die quantenmechanische Beschreibung von Feldern und ist für die Teilchenphysik relevant. Das Standardmodell ist eine Quantenfeldtheorie, die alle bekannten Teilchen und Kräfte bis auf die Gravitation einheitlich beschreibt:
- die Dirac-Theorie ist eine relativistische Beschreibung von Fermionen und begründet die Basis für die Konzepte Spin und Antimaterie
- die Quantenelektrodynamik stellt die Verbindung zwischen Photonen und elektromagnetischen Feldern her und beschreibt die Wechselwirkung mit Ladungen als Austausch von virtuellen Photonen
- die Quantenchromodynamik beschreibt die starke Wechselwirkung zwischen Quarks als Austausch von Gluonen
- Quantengravitation ist ein Überbegriff für Ansätze, die vier Grundkräfte der Physik mit einer gemeinsamen Theorie zu beschreiben und dadurch insbesondere die allgemeine Relativitätstheorie mit der Quantenphysik zu vereinen (QST):
- die Stringtheorie beschreibt Elementarteilchen als Strings und geht von verborgenen Dimensionen der Raumzeit aus
- die Loop-Quantengravitation beschreibt die Raum-Zeit als Spin-Netzwerk bzw. Spin-Schaum
- die Quantengeometrie
- die Supersymmetrie

Interdisziplinäre und technisch orientierte Themenbereiche

- Die Astrophysik wendet physikalische Methoden auf das Studium astronomischer Phänomene an.
- Bei der physikalischen Chemie handelt es sich um den Grenzbereich zwischen Physik und Chemie. Physikalische Chemiker wenden die Methodik der Physik auf die Anschauungsobjekte der Chemie an.
- Die Technische Physik ist jenes Teilgebiet der Physik, das sich mit den technischen Anwendungen physikalischen Wissens befasst.
- In der Biophysik werden die physikalischen Gesetzmäßigkeiten, denen Lebewesen und ihre Wechselwirkung mit der Natur unterliegen, untersucht.
- Die Geophysik nutzt physikalische Modelle zur Erklärung geologischer Strukturen und Vorgänge.
- Quantenelektronik ist ein relativ junges Forschungsgebiet und wendet die Ergebnisse der Quantentheorie auf die Entwicklung elektronischer Schaltkreise an.
- In der Theorie der Quantencomputer tritt die Physik in interdisziplinäre Zusammenarbeit mit der Informatik. Hier werden unter anderem Algorithmen mit geringerer Komplexität als bei klassischen Computern möglich.
- Die Beschleunigerphysik beschaftigt sich mit der Entwicklung von Teilchenbeschleunigern. Diese werden benötigt, um die Energiedichten der Elementarteilchenphysik zu erreichen, aber auch als Strahlenquelle für Untersuchungen in einem weiteren naturwissenschaftlichen Bereich.
- Die Reaktorphysik beschäftigt sich mit der technischen Beherrschung von Kernreaktionen in Kernreaktoren.
- Die Umweltphysik beschäftigt sich in ihrer Forschung vor allem mit den Bereichen Energie und Klima.
- Soziophysik und Wirtschaftsphysik wenden physikalische und statistische Methoden auf gesellschaftliche, wirtschaftliche, kulturelle und politische Phänomene an.

Methodik der Physik

Der Prozess der Erkenntnisgewinnung in der Physik verläuft in enger Verzahnung von Experiment und Theorie, besteht also aus empirischer Datengewinnung und -auswertung und gleichzeitig dem Erstellen theoretischer Modelle zu ihrer Erklärung. Dennoch haben sich im Verlauf des 20. Jahrhunderts Spezialisierungen herausgebildet, die insbesondere die professionell betriebene Physik heute prägen. Demnach lassen sich grob Experimentalphysik und theoretische Physik voneinander unterscheiden.

Experimentalphysik

Während manche Naturwissenschaften wie etwa die Astronomie und die Meteorologie sich methodisch weitgehend auf die Beobachtungen ihres Untersuchungsgegenstandes beschränken müssen, steht in der Physik das Experiment im Vordergrund. Dabei versucht die Experimentalphysik, durch Entwurf, Aufbau, Durchführung und Auswertung von Experimenten Gesetzmäßigkeiten in der Natur aufzuspüren und mittels empirischer Modelle zu beschreiben. Sie versucht einerseits physikalisches Neuland zu betreten, andererseits überprüft sie von der theoretischen Physik gemachte Vorhersagen. Grundlage eines physikalischen Experimentes ist es, die Eigenschaften eines zuvor präparierten physikalischen Systems, zum Beispiel eines Teilchenbeschleunigers, einer Vakuumkammer mit Detektoren oder eines geworfenen Steins durch Messung in Zahlenform auszudrücken, etwa als Länge einer Teilchenspur, Impulshöhe eines elektrischen Spannungspulses oder als Aufprallgeschwindigkeit. Konkreterweise werden entweder nur die zeitunabhängigen (statischen) Eigenschaften eines Objektes gemessen oder man untersucht die zeitliche Entwicklung (Dynamik) des Systems, etwa in dem man Anfangswerte und Endwerte einer Messgröße vor und nach dem Ablauf eines Vorgangs bestimmt oder alternativ kontinuierliche Zwischenwerte feststellt.

Theoretische Physik

Die Aufgabe der Theoretischen Physik wiederum besteht darin, die empirischen Modelle der Experimentalphysik mathematisch auf bekannte Grundlagentheorien zurückzuführen oder, falls dies nicht möglich ist, durch eine möglichst kleine Anzahl von Grundannahmen (Hypothesen) zu beschreiben. Sie leitet weiterhin aus bereits bekannten Modellen empirisch überprüfbare Voraussagen ab. Bei der Entwicklung eines Modells wird grundsätzlich die Wirklichkeit idealisiert; man konzentriert sich zunächst nur auf ein vereinfachtes Bild, um dessen Aspekte zu überblicken und zu erforschen; nachdem das Modell für diese Bedingungen ausgereift ist, wird es weiter verallgemeinert. Zur theoretischen Beschreibung eines physikalischen Systems benutzt man die Sprache der Mathematik. Seine Bestandteile werden dazu durch mathematische Objekte wie zum Beispiel Skalare oder Vektoren repräsentiert, die in durch Gleichungen festgelegten Beziehungen zueinander stehen. Der Zweck des Modelles ist es, aus bekannten Größen unbekannte zu errechnen und damit zum Beispiel das Ergebnis einer experimentellen Messung vorherzusagen. Phänomene der Welt, die sich nicht mathematisch beschreiben lassen, wie beispielsweise das menschliche Bewusstsein, werden gemeinhin nicht als Gegenstand der Physik angesehen. Das fundamentale Maß für die Qualität einer Theorie ist, wie in vielen Naturwissenschaften auch, die Übereinstimmung mit reproduzierbaren Experimenten. Durch den Vergleich mit dem Experiment lässt sich der Gültigkeitsbereich und die Genauigkeit einer Theorie ermitteln, allerdings lässt sie sich niemals „beweisen“. Um eine Theorie zu widerlegen, bzw. um die Grenzen ihres Gültigkeitsbereiches zu demonstrieren, genügt im Prinzip ein einziges Experiment, sofern es reproduzierbar ist. Experimentalphysik und theoretische Physik stehen also in steter Wechselbeziehung zueinander. Es kann allerdings vorkommen, dass Ergebnisse der einen Disziplin der anderen vorauseilen: So sind derzeit viele Voraussagen der Stringtheorie nicht experimentell überprüfbar; andererseits sind viele teilweise extrem genau gemessene Werte aus dem Gebiet der Teilchenphysik zum heutigen Zeitpunkt am Anfang des 21. Jahrhunderts durch die zugehörige Theorie, die Quantenchromodynamik, nicht berechenbar.

Mathematische Physik und Angewandte Physik

Zusätzlich zu dieser grundlegenden Teilung der Physik unterscheidet man manchmal noch zwei weitere Unterdisziplinen, die mathematische Physik und die angewandte Physik. Erstere wird gelegentlich als Teilgebiet der theoretischen Physik betrachtet, unterscheidet sich von dieser jedoch darin, dass ihr Studienobjekt nicht konkrete physikalische Phänomene sind, sondern die Ergebnisse der theoretischen Physik selbst. Sie abstrahiert damit von jedweder Anwendung und interessiert sich stattdessen für die mathematischen Eigenschaften eines Modells, insbesondere seine tiefer liegenden Symmetrien und Invarianzen. Auf diese Weise entwickelt sie Verallgemeinerungen und Varianten bereits bekannter Theorien, die dann wiederum als Arbeitsmaterial der theoretischen Physiker in der Modellierung empirischer Vorgänge Einsatz finden können. Die angewandte Physik steht dagegen in (unscharfer) Abgrenzung zur Experimentalphysik, teilweise auch zur theoretischen Physik. Ihr wesentliches Kennzeichen ist, dass sie ein gegebenes physikalisches Phänomen nicht um seiner selbst willen erforscht, sondern um die aus der Untersuchung hervorgegangenen Erkenntnisse zur Lösung eines (in der Regel) nicht-physikalischen Problems einzusetzen. Ihre Anwendungen liegen z. B. auf dem Gebiet der Technik oder Elektronik, in Medizin, Chemie oder Astronomie, aber auch in den Wirtschaftswissenschaften, wo z. B. im Risikomanagement Methoden der theoretischen Festkörperphysik zum Einsatz kommen.

Simulation/Computerphysik

Mit der fortschreitenden Entwicklung der Rechensysteme hat sich in den letzten Jahrzehnten des 20. Jahrhunderts un