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Naturwissenschaft

Naturwissenschaft

Naturwissenschaften sind Wissenschaften, die sich mit der unbelebten und belebten Natur befassen, diese zu beschreiben und zu erklären versuchen. Die traditionellen Gebiete der Naturwissenschaften – Physik, Chemie und Biologie – prägen auch heute noch nachhaltig das verbreitete Bild der Naturwissenschaften. In der Gegenwart wird der Begriff Naturwissenschaften jedoch deutlich weiter gezogen. Ein Beispiel für eine Erweiterung ist die Astronomie, die sich von ihrer historischen Rolle als Astrologie zu einer modernen Naturwissenschaft entwickelt hat. Eine systematische Zusammenstellung der modernen Auffassung findet sich im Artikel Wissenschaft.

Einordnung als Wissenschaft

Die Naturwissenschaften stehen nach traditioneller Auffassung den Geisteswissenschaften gegenüber. Allerdings ist diese ausschließliche Zweiteilung der Wissenschaften in zwei große Kategorien heute weitgehend nicht mehr begriffliche Grundlage: Als prominentestes Beispiel für eine Wissenschaft, die weder als Natur- noch als Geisteswissenschaft einzuordnen ist, gilt die Mathematik, die den Strukturwissenschaften zugeordnet wird.

Entwicklung

Zu den Naturwissenschaften wurden historisch zunächst nur die Wissenschaften gezählt, die sich mit den materiellen Dingen der unbelebten Natur beschäftigen. Die Ansicht, was materiell (physisch) zu erklären sei, und was metaphysich, also jenseits der materiellen Phänome liegend und damit der materiellen Erklärung nicht zugänglich sei, unterliegt einem beständigen Wandel. Auch die Erweiterung auf neue Wissenschaftsgebiete gehört zu den Aspekten dieser Entwicklung. Ein zentrales Thema für die Naturwissenschaften war und ist die Frage nach der objektiven Erkenntnis, also einer Erkenntnis, deren Gültigkeit über das erkennende Subjekt hinausgeht und Allgemeingültigkeit erlangt.

Prinzipien der Naturwissenschaften

Heute definieren sich die Naturwissenschaften über ihre Methoden und den Wissenschaftsprozess. Es werden Hypothesen gebildet und systematische Experimente durchgeführt, um diese Hypothesen zu überprüfen. Die Hypothesen werden möglichst präzise formuliert, was in der Praxis heißt, dass die Hypothese als mathematisches Modell formuliert wird. "Mathematisches Modell" darf hierbei nicht zu eng verstanden werden, denn neben der klassischen Differentialgleichung, können solche Modelle statistische Natur haben und entsprechend formuliert werden, oder es kann sich um Abläufe handeln, die als Graphen dargestellt werden. Die Hypothese (= Modell) muss kausal und nachprüfbar sein. Die Hypothese sollte bekannte Phänomene erklären und, idealer Weise, neue Phänomene vorhersagen oder mehr Phänomene erklären als die bekannten Modelle. Ist die Hypothese erfolgreich ("sie bewährt sich") wird ihr im Laufe der Zeit immer mehr Vertrauen entgegengebracht. Bewährte Hypothesen werden oft auch als Theorie bezeichnet. Theorien, die lange Zeit und in verschiedenen Gebieten ihre Tests immer wieder bestanden haben, werden auch Naturgesetz genannt. Häufig haben sogenannte Naturgesetze aber weitere Attribute, die wissenschaftstheoretisch nur schwierig exakt zu fassen sind. Zu diesen gehören Einfachheit, großer Geltungsbereich, elegante mathematische Formulierung und hoher Erklärungswert. Erklärungswert heißt, dass die Theorie möglichst wenig freie Parameter enthält, die erst durch Messungen und Experimente bestimmt werden müssen. Als Beispiele für weithin anerkannte Naturgesetze können der Energieerhaltungssatz und die Relativitätstheorie angeführt werden. Dagegen würde man das eigentlich sehr erfolgreiche Standardmodell der Elementarteilchenphysik noch nicht als "Naturgesetz" bezeichnen, denn es mangelt ihm an Erklärungswert, da es mindestens 19 freie Parameter hat, die durch Messung und Experiment bestimmt werden müssen. Der naturwissenschaftliche Prozess benötigt zu seiner Funktion weitere Spielregeln. Dazu gehören Veröffentlichung in etablierten wissenschaftlichen Zeitschriften, Respekt vor dem Wissenschaftler ohne Vorurteile, genaue Dokumentation der Versuchs- und Messbedingungen, sorgfältige Fehleranalyse und Freiheit der Information. Angesehene wissenschaftliche Zeitschriften unterhalten kompetente Stäbe von Gutachtern, die dafür sorgen, dass die Veröffentlichungen bestimmte Qualitätsmerkmale erfüllen (Neuigkeit, Fehlerfreiheit, Sorgfalt, korrekte und vollständige Zitate etc.). Die Gutachter sind selbst aktive Wissenschaftler, was eine selbstregulierende Fairness garantiert. Dieser Teilprozess heißt "Peer Review".

Die drei klassischen Naturwissenschaften Physik – Chemie – Biologie

- Physik: Die Physik (griechisch φυσική, physike „die Natürliche“) ist die am meisten grundlegende der Naturwissenschaften. Sie beschreibt elementare Gebiete der Natur und deren Zusammenhänge, zum Beispiel Kräfte und die Bewegung von Körpern, aber auch komplexe Zusammenhänge wie die Dynamik von Raum und Zeit oder den Atombau.
- Chemie: Die Chemie (von arabisch al-kimiya', dieses von griechisch χημεία, chemeia) ist die Lehre von den Elementen. Sie beschreibt deren Eigenschaften, Verhalten und ihre Veränderung. Zu einer tiefergehenden Erklärung dieser Vorgänge greift sie auf die Physik zurück.
- Biologie: Die Biologie (griech. βίος, bíos Leben und λόγος, lógos Lehre) befasst sich mit lebenden Organismen, angefangen bei den kleinsten Organismen wie Bakterien bis hin zum Menschen. Sie baut dabei einerseits auf Erkenntnisse der Chemie auf und beschreibt und erklärt die stofflichen Vorgänge in lebenden Organismen. Andererseits formuliert sie übergreifende Gesetze über die Entwicklung, die Lebensweise und Fortpflanzung und andere Vorgänge und Erscheinungen.

Heutige Auffassung, exakte Wissenschaften, Science

Der oben beschriebene Prozess wird auch in anderen Wissenschaftsgebieten angewendet, die nicht zu den klassischen Naturwissenschaften zählen oder zu den Naturwissenschaften aus der erweiterten Aufstellung im Artikel Wissenschaft zählen. Diese erhalten im angelsächsischen üblicherweise den Zusatz "Science". Eine Eins-zu-Eins-Übersetzung ins Deutsche ist nicht möglich, nahe kommt vielleicht der Begriff der "Exakten Wissenschaft". Als Beispiel sei "Cognitive Science" genannt, ein Teilgebiet der Psychologie, welches mit naturwissenschaftlichen Methoden arbeitet.

Anmerkungen

Der Zugang zur Information ist heute leichter, aber auch erheblich unübersichtlicher als zu früheren Zeiten. Insbesondere das Internet hat hier zu einem enormen Informationsschub geführt. Freiheit und leichter Zugang zu Information können schnell zu Verwirrung und Desinformation führen. Das Verständnis des naturwissenschaftlichen Prozesses gibt hier eine Hilfestellung, der eine Wertung der präsentierten Information ermöglicht. Sind Erfordernisse des beschriebenen Prozesses verletzt, darf man der präsentierten Information nicht die Qualität einer naturwissenschaftlichen Tatsache oder Theorie zumessen. Um Missverständnissen gleich vorzubeugen, sei gesagt, dass es natürlich viele wertvolle und nützliche Informationen gibt, die nicht naturwissenschaftlich begründet sind. Kritiker des naturwissenschaftlichen Prozesses führen häufig die Machtstrukturen und Interessenkonflikte im realen Leben an, die wesentlichen Einfluss auf den Gang der Wissenschaft nehmen. Die sachfremden Einflüsse führen zu Umwegen und Verzögerungen, die zusammen mit dem sprunghaften und unberechenbaren (kreativen) Prozess der Hypothesenfindung zu einer starken chaotischen Komponente in der Weiterentwicklung des Wissens führen. Dies führt Kuhn zu seiner These eines sprunghaften Fortgangs des Erkenntnisgewinns. Ein solcher Sprung ist jeweils mit einem Paradigmenwechsel verbunden, der die Interpretation großer Teile der Naturwissenschaft verändert.

Zitate

"Der Beginn aller Wissenschaften ist das Erstaunen, dass die Dinge sind, wie sie sind." Aristoteles "Das Ziel der Wissenschaft ist es immer gewesen, die Komplexität der Welt auf simple Regeln zu reduzieren." Benoit Mandelbrot "Die naturwissenschaftliche Frage ist die logische Hypothese, welche von einem bekannten Gesetz durch Analogie und Induction weiterschreitet; die Antwort darauf gibt das Experiment, welches in der Frage selbst vorgeschrieben liegt. ... Die Naturforschung setzt also Kenntnis der Thatsachen, logisches Denken und Material voraus; diese drei, in methodischer Verknüpfung, erzeugen die Naturwissenschaft". Rudolf Virchow "Jeder Fortschritt, den eine Kirche in dem Aufbau ihrer Dogmen macht, führt zu einer ... Bändigung des freien Geistes; jedes neue Dogma ... verengt den Kreis des freien Denkens ... Die Naturwissenschaft umgekehrt befreit mit jedem Schritte ihrer Entwickelung ... Sie gestattet ... dem Einzelnen in vollem Maße wahr zu sein". Rudolf Virchow

Literatur

Monographien:
- Karl Popper: Logik der Forschung, Mohr Siebeck, 2005, ISBN 316148410X
- Karl Popper: Objektive Erkenntnis, Hoffmann und Campe 1998, ISBN 3455103065
- Thomas S. Kuhn: Die Struktur wissenschaftlicher Revolutionen, Suhrkamp, Frankfurt/M. 2003, (stw; Bd. 25) ISBN 3-518-27625-5 :Kuhns Thema ist der Prozess, in dem wissenschaftliche Erkenntnisse erzielt werden. Fortschritt in der Wissenschaft - das ist seine These - vollzieht sich nicht durch kontinuierliche Veränderung, sondern durch revolutionäre Prozesse. Dabei beschreibt der Begriff der wissenschaftlichen Revolution den Vorgang, bei dem bestehende Erklärungsmodelle, an denen und mit denen die wissenschaftliche Welt bis dahin gearbeitet hat, abgelöst und durch andere ersetzt werden: es findet ein Paradigmenwechsel statt.
- Wolfgang Kullmann: Aristoteles und die moderne Wissenschaft, Steiner, Stuttgart 2001, ISBN 3-515-06620-9
- Peter Mittelstädt u.a. (Hrsg.): Was sind und warum gelten Naturgesetze?, Klostermann, Frankfurt/M. 2000, (Philosophia naturalis; Bd. 37,2) ISBN 3-465-03118-0
- Gregor Markl: Geisteswissenschaften und Naturwissenschaften - Verbündete, nicht Kontrahenten, in: Florian Keisinger u.a. (Hrsg.): Wozu Geisteswissenschaften? Kontroverse Argumente für eine überfällige Debatte, Campus Verl., Frankfurt/M. 2003, ISBN 3-593-37336-X
- Erwin Schrödinger: Was ist ein Naturgesetz? Beiträge zum naturwissenschaftlichen Weltbild, Oldenbourg, München 1997, ISBN 3-486-46275-X (Scientia Nova) Zeitschriften:
- Philosophia naturalis. Archiv für Naturphilosophie und die philosophischen Grenzgebiete der exakten Wissenschaften und Wissenschaftsgeschichte, Klostermann, Frankfurt/M. 1. (1950/52) ff.

Siehe auch

In den Wikibooks gibt es ein Buch zum naturwissenschaftlichen Weltbild:
- Wissenschaft
- Wissenschaftssoziologie
- Natur
- Experiment
- Sozialwissenschaften

Weblinks

- [http://www.wissen-news.de Naturwissenschaft-Newsblog (dt.)]
- [http://www.wissenschaft24.info/themen.php4 Naturwissenschafts-Newsticker (dt.)]
- [http://www.lsw.uni-heidelberg.de/users/amueller/wissen.html Private Website zur wissenschaftlichen Methode]
- [http://www.physik-lexikon.de Physikforum] Kategorie:Wissenschaftstheorie ja:自然科学 ko:자연과학 th:วิทยาศาสตร์ธรรมชาติ

Wissenschaft

Wissenschaftliche Wissensbildung besteht im Kern darin, auf methodisch kontrollierte Weise "Wissen zu schaffen", das von jedem hinreichend Sachkundigem in prinzipiell allen Einzelheiten nachvollziehbar und überprüfbar ist. Sie zielt somit über gewöhnliches Alltagswissen hinaus, das auf mehr oder weniger begrenzter persönlicher Erfahrung und Intuition basiert und deswegen auf Meinungen und Überzeugungen beruht, die in ihrer Gültigkeit subjektiv beschränkt sind.

Gültigkeit

Für Kenntnisse und Erkenntnisse, die auf methodisch kontrollierte Weise erarbeitet wurden und deswegen als wissenschaftlich ausgezeichnet werden können, wird allgemeine Gültigkeit beansprucht und weithin auch akzeptiert, insbesondere dann, wenn sie aus ihrer sprachlichen Formulierung in traditionell Theorien genannten Gesamtdarstellungen logisch Handlungsanweisungen ableitbar sind, deren praktische Anwendung oder Umsetzung "in die Tat" regelmäßig zu Ergebnissen führt, die ebenfalls aus diesem Wissen logisch ableitbar sind und deswegen "vorausgesagt" oder prognostiziert werden können. Aufgrund ihrer allgemeinen Bedeutung und vor allem wegen ihrer praktischen Relevanz ist Wissenschaft mittlerweile zu einem nahezu alle Bereiche des gesellschaftlichen Lebens erfassenden, organisierten und vielfach vernetzten "wissenschaftlich-industriellen Komplex" geworden. Der heutige Wissenschaftsbetrieb gilt
- dem Erwerb von Wissen durch Forschung mit Methoden, die normativ als wissenschaftlich ausgezeichnet und allgemein als solche akzeptiert sind,
- der durchgehenden und damit nachvollziehbaren Dokumentation dieses Wissens in wissenschaftlichen Arbeiten aller Art bis hin zu ganzen Wissensgebieten in Handbüchern und Enzyklopädien sowie
- der organisierten und systematischen Weitergabe dieses Wissens in Form geeigneter Unterrichtung und Lehrbücher.

Definition des Bundesverfassungsgerichtes

Im Hochschulurteil des Bundesverfassungsgerichtes der Bundesrepublik Deutschland zur Freiheit der Wissenschaft (Artikel 5 Abs. 3 des Grundgesetzes) wird der Begriff Wissenschaft wie folgt charakterisiert: Der gemeinsame Oberbegriff "Wissenschaft" bringt den engen Bezug von Forschung und Lehre zum Ausdruck. Forschung als "die geistige Tätigkeit mit dem Ziele, in methodischer, systematischer und nachprüfbarer Weise neue Erkenntnisse zu gewinnen" (Bundesbericht Forschung III BTDrucks. V/4335 S. 4) bewirkt angesichts immer neuer Fragestellungen den Fortschritt der Wissenschaft; zugleich ist sie die notwendige Voraussetzung, um den Charakter der Lehre als der wissenschaftlich fundierten Übermittlung der durch die Forschung gewonnenen Erkenntnisse zu gewährleisten. Andererseits befruchtet das in der Lehre stattfindende wissenschaftliche Gespräch wiederum die Forschungsarbeit. Gemäß Bundesverfassungsgericht ist folglich als wissenschaftlich anzusehen und damit geschützt: [...] jede wissenschaftliche Tätigkeit, d. h. auf alles, was nach Inhalt und Form als ernsthafter planmäßiger Versuch zur Ermittlung der Wahrheit anzusehen ist. Dies folgt unmittelbar aus der prinzipiellen Unabgeschlossenheit jeglicher wissenschaftlichen Erkenntnis. (BVerfGE 35, 79 - Hochschul-Urteil) [http://www.oefre.unibe.ch/law/dfr/bv035079.html] Hinweis: In diese Definition fallen nicht Arbeiten von Journalisten oder Kriminologen.

Wissenschaftliches Arbeiten in der Gesellschaft

Wissenschaftliches Arbeiten dient der Vermittlung von Kulturgut, das sich über Jahrtausende entwickelt hat, der Grundlagenforschung, der Weiterentwicklung bestehender Ergebnisse, der Gewinnung neuer Erkenntnisse und auch der Suche nach neuen Technologien. Inhalte, Methoden und Ziele der Wissenschaft werden stets auch von außerwissenschaftlichen Faktoren beeinflusst. Die Kommunikation der Wissenschaftler untereinander und mit der Gesellschaft gewährt Inspiration und Kritik, bis hin zum Vorwurf, dass berufsmäßige Wissenschaftler für ihren Lebensunterhalt auf Finanzen der Gesellschaft, der Wirtschaft oder spezieller Gruppierungen angewiesen sind. Für die interdisziplinäre Forschung wurden in den letzten Jahrzehnten eine Reihe von (Forschungs-)Instituten geschaffen, in denen industrielle und universitäre Forschung zusammenwirken. Zum Teil verfügen Unternehmen aber auch über eigene Forschungseinrichtungen, in denen Grundlagenforschung betrieben wird. Die Arbeit der Wissenschaft ist essentielle Voraussetzung für produktive Forschung, kann aber auch in gemeinsamem Irrtum bestärken; nicht zuletzt deshalb werden wichtige Ergebnisse zuweilen von wissenschaftlichen Außenseitern erzielt. Gemeinsame Begeisterung für aktuelle Themen kann sogar die Form einer wissenschaftlichen Mode annehmen. Die Weitergabe wissenschaftlicher Erkenntnisse kann propädeutisch erfolgen.

Wissenschaftliche Einrichtungen

Ein großer Teil wissenschaftlicher Arbeit findet traditionell an Universitäten statt. Doch auch Akademien, privat finanzierte Forschungsinstitute und die Industrie finanzieren die Tätigkeit vieler Wissenschafter. Mit staatlicher Förderung stellen auch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) oder anderer Träger den Max-Planck-Instituten, der ESA, dem CERN und anderen Groß-Forschungsprojekten die notwendigen Ressourcen zur Verfügung. In Österreich entsprechen der DFG die Forschungsfonds FWF und FFF in der Schweiz und Frankreich die Nationalen Forschungsfonds. Andere Fonds werden z.B. von Großindustrien oder dem Europäischen Patentamt dotiert. Der für Wissenschafter so zentrale Austausch mit anderen Forschern erfolgt durch Wissenschaftliche Veröffentlichungen und bei Fachkonferenzen, bei Kongressen der internationalen Dachverbände und scientific Unions (z.B. IUGG, COSPAR, IUPsyS, ISWA, SSRN) oder der UNO-Organisation. Auch Einladungen zu Seminaren, Institutsbesuchen, Arbeitsgruppen oder Gastprofessuren spielen eine Rolle. Von großer Bedeutung sind auch Auslandaufenthalte und internationale Forschungsprojekte.

Wissenschaftliche Methode

Wissenschaft ist eine Methode zum Wissenserwerb. Ziel der wissenschaftlichen Methode ist es, ausgehend von einer oder mehreren Hypothesen eine tragfähige Theorie zu entwickeln.

Kriterien für wissenschaftliches Arbeiten

Wissenschaftliche Arbeit muss besondere Kriterien erfüllen: #Wissenschaft ist nicht dogmatisch. Wissenschaft unterscheidet sich von Religion, indem sie keinen Anspruch auf die absolute Wahrheit erhebt. Wissenschaftliche Erkenntnisse sind falsifizierbar, d.h. sie können überprüft werden und sich als falsch herausstellen. Die Zuverlässigkeit religiöser Aussagen lässt sich hingegen nicht überprüfen. #Wissenschaftliche Ergebnisse werden ausführlich dokumentiert. Dafür gibt es Standards, die die Nachvollziehbarkeit aller Teilschritte der Schlussfolgerungen sicherstellen sollen. Wichtig ist dabei auch eine ausführliche Dokumentation verwendeter Quellen und die Berücksichtigung des aktuellen Standes der Forschung auf einem Gebiet. Dadurch werden Forschungsergebnisse vergleichbar und ein inhaltlicher Fortschritt in einem Fachgebiet erst möglich. Forschungsarbeiten beziehen sich aufeinander. Sie stützen, widerlegen oder verfeinern vorhandene Theorien. #Ein wichtiges Prinzip jeder ernsthaften Wissenschaft ist die Skepsis im Sinne einer kritischen Haltung gegenüber eigenen wie fremden Ergebnissen und Thesen. Wissenschaftliches Wissen unterscheidet sich von doktrinärem Wissen dadurch, dass beim doktrinären Wissen offene oder subtile Machtmittel zur Durchsetzung von Behauptungen benutzt werden und Hinterfragung durch einzelne unerwünscht ist, während wissenschaftliches Wissen zumindest prinzipiell von jedem durch den Gebrauch des eigenen Verstandes und eigener Erfahrung eigenständig überprüft werden kann. Auf die gleiche Weise kann wissenschaftliches Wissen auch von Offenbarungswissen abgegrenzt werden. Offenbarungswissen, welches etwa durch innere Erkenntnis einzelner zustandekommt, kann durch andere nicht eigenständig überprüft werden und ist somit nicht wissenschaftlich.

Prozess der wissenschaftlichen Erkenntnis

Wissenschaftliche Erkenntnis wird idealtypisch in folgenden Schritten gewonnen (in manchen Wissenschaften ist nur ein Teil der aufgezählten Schritte durchführbar und oft werden Erkenntnisse auch ganz anders gewonnen, einschließlich der Hilfe des Zufalls):

# Beobachtung und Messung von Phänomenen # Sammeln und Ordnen von Material # Aufstellen von Hypothesen und Modellen, Vorhersagen, Festlegung des Signifikanzniveaus # Prüfung der Hypothesen des Modells durch Experimente, Tests, Versuche # Bestätigung oder Widerlegung der Hypothesen # Veröffentlichung der Ergebnisse, um sie von anderen überprüfen zu lassen # Veränderung, Erweiterung oder Verwerfen des Modells, je nach Ergebnis der Tests und der Kritik # Im Falle der Bestätigung Entwicklung einer fundierten Theorie, die gewisse Kriterien erfüllen muss :: Solange die Theorie nicht falsifiziert wird, kann sie als wissenschaftliche Erkenntnis gelten.

Diese Darstellung gilt dabei nur für diejenigen Wissenschaftszweige, die analytisch arbeiten. Für die historisch-hermeneutischen Wissenschaften gelten andere Prinzipien der Gewinnung von Wissen.

Anforderungen an eine wissenschaftliche Theorie

- Zirkelfreiheit, d.h. der Verzicht auf Aussagen, die sich (teilw.) auf sich selbst als Voraussetzung beziehen.
- innere Konsistenz (Widerspruchsfreiheit)
- äußere Konsistenz - Widerspruchsfreiheit in Bezug auf andere anerkannte Theorien
- Erklärungswert - bislang ungeklärte Sachverhalte können durch die Theorie erklärt werden
- Empirische Überprüfbarkeit
- sparsame Erklärung
- Falsifizierbarkeit: Eine Theorie muss so formuliert werden, dass sie Voraussagen trifft, die prinzipiell durch ein Experiment widerlegt werden könnten. Nicht falsifizierbare, also experimentell nicht widerlegbare Theorien gelten nach diesem Kriterium als unwissenschaftlich.

Kriterien eines wissenschaftlichen Experiments

- Objektivität (Intersubjektive Überprüfbarkeit): Ein Experiment ist objektiv, wenn verschiedene Forscher unter den selben Bedingungen die selben (End-)Ergebnisse erzielen.
- Reliabilität (Zuverlässigkeit): Ein Experiment ist reliabel, wenn es bei wiederholter Anwendung unter gleichen Bedingungen gleiche Ergebnisse liefert, die Ergebnisse also reproduzierbar sind.
- Validität (Gültigkeit): Ein Experiment ist valide, wenn die Versuchsanordnung tatsächlich das misst, was sie zu messen vorgibt. Hierzu muss sichergestellt sein, dass andere, nicht beobachtete Eigenschaften keinen Einfluss auf das Ergebnis haben. Allerdings erfordert dies sehr weit reichende Standardisierung der Versuchsbedingungen. Dies wiederum kann die Gültigkeit negativ beeinflussen. Wenn beispielsweise in streng kontrollierten Tierversuch Verhaltensauffälligkeiten durch Behandlung A erfasst werden sollen, kann es sein, dass sich die Verhaltensauffälligkeit nicht durch die Behandlung, sondern durch die Umstände (kleiner, langweiliger Käfig etc.) hervorgerufen werden.
- Standardisierung und Vergleichbarkeit: Ergebnisse eines Experiments sind nur dann vergleichbar, wenn sie bestimmten, vorher festgelegten Standards genügen. Um die Wiederholbarkeit und Überprüfung eines Versuchs zu gewährleisten, gehörte es somit zu den wissenschaftlichen Tugenden, die Versuchsanordnung so einfach wie möglich zu halten.

Wissenschaftstheorie

Als Begründer der modernen wissenschaftlichen Methode gilt Francis Bacon. Im 20. Jahrhundert hat sich unter Anderen Karl Popper als Begründer des kritischen Rationalismus in der Wissenschaftstheorie einen Namen gemacht; das Kriterium der Falsifizierbarkeit, ursprünglich von Popper formuliert, hat sich als Qualitätsmerkmal seriöser Wissenschaft weitgehend durchgesetzt, es dient der Unterscheidung von Wissenschaft und Pseudowissenschaft bzw. Glaubenslehren. Insbesondere die Kritik T.S. Kuhns an der von Popper dargelegten Wissenschaftsentwicklung führte allerdings zu diversen Weiterentwicklungen des Falsifikationsbegriffes in der neueren wissenschaftheoretischen Entwicklung. Zu nennen wären hier etwa die von Imre Lakatos entwickelte Sichtweise der Wissenschaft als das Verfolgen komplexer Forschungsprogramme oder der - neben anderen - von Joseph D. Sneed entwickelte wissenschaftstheoretische Strukturalismus. Philosophisch steht dahinter ursprünglich der kritische Rationalismus, der eine Theorie nur dann als wissenschaftlich anerkennt, wenn sie falsifizierbar (das heißt prinzipiell widerlegbar, siehe oben) ist. Abgesehen davon, dass komplexe Theorien im allgemeinen nicht verifizierbar sind, würde Verifizierbarkeit allein - ohne gleichzeitge Falsifizierbarkeit - nicht ausreichen, um eine Theorie als wissenschaftlich einzustufen. Erst die Falsifizierbarkeit garantiert, dass eine Theorie Einschränkungen über mögliche Beobachtungsdaten macht, und damit überhaupt eigentliche Information über die uns empirisch zugängliche Welt enthält. Der kritische Rationalismus wurde und wird von seinen Gegnern zuweilen auch als "Falsifikationismus" bezeichnet und wird insbesondere unter dieser Bezeichnung im Gegensatz zu anderen philosophischen Denkrichtungen gesehen (siehe unten). Es waren die bereits oben erwähnten Wissenschaftstheoretiker Thomas Kuhn sowie Paul Feyerabend, die mit wissenschaftshistorischen und wissenschaftssoziologischen Untersuchungen aufzuzeigen suchten, dass wissenschaftliche Forschung in der Praxis anders ablaufe als der Kritische Rationalismus von Popper es behauptet, oder - wie die Verteidiger Poppers entgegnen - seine Gegner es ihm unterstellen. Wissenschaftler trachten demnach in den gewöhnlichen Phasen ihrer Forschung kaum danach die Grundannahmen ihrer Theorien zu hinterfragen, sondern bewegen sich im Rahmen eines unhinterfragten Paradigmas bzw. Forschungsprogramms, das ihnen Wege zur Lösung jener Rätsel aufzeigt, welche das Paradigma aufwirft. Das Paradigma bzw. Forschungsprogramm steht im Zuge dieser gewöhnlichen Phase der Forschung nicht zur Disposition, besteht also aus Vorannahmen, deren Falsifizierbarkeit meist gar nicht möglich sei. Gemäß Imre Lakatos sei dies auch nicht nötig, da ihre Hauptfunktion mehr darin bestehe die "Struktur" einer Theorie zu bestimmen und es nur nötig sei, diese Vorannahmen durch falsifizierbaren Zusatzannahmen zu einer kompletten, falsifizierbaren Theorie erweitern zu können. Kuhns Struktur wissenschaftlicher Revolutionen, Lakatos Methodologie wissenschaftlicher Forschungsprogramme und Feyerabend anarchistische Erkenntnistheorie sind zudem Wegbereiter der modernen Wissenschaftsforschung (Karin Knorr-Cetina, Bruno Latour), die bestrebt ist, das reale Forschungsverhalten der Wissenschaftler im Labor und im Feld zu untersuchen. Die dabei zu Tage geförderten Daten widersprächen sehr stark den klassisch-wissenschaftstheoretischen Annahmen Poppers oder des Wiener Kreises über das Wesen wissenschaftlicher Forschung. Der Konstruktivismus geht in seiner Ablehnung noch weiter und lehnt die These des Falsifikationismus ab, dass laufende Veränderung von falsifizierten Thesen eine asymptotische Annäherung an die Wirklichkeit brächten. Der Relativismus sieht wissenschaftliche Paradigmen sogar als Sache des Glaubens an, die jeweils nur innerhalb einer bestimmten Wissenschafts-Kultur als wahr oder falsch gelten könnten. Darüber hinaus hat sich - ausgehend von den USA - in den letzten beiden Jahrzehnten eine sich dezidiert parteiisch gebende Forschung etabliert, bei der einer Wissenschaft nicht nur eine beobachtende und beschreibende, sondern auch eine politisch verändernde Funktion zugewiesen wird. Dazu gehören z.B. als pointiert feministisch ausgewiesene Forschungsbereiche. Der klassische, der weltanschaulichen Neutralität verpflichtete Wissenschaftsbegriff wird hier abgelehnt und als androzentrisch diskreditiert: Es wird dargestellt, inwieweit jede Wissenschaft von Menschen und ihren Werten&Zielen geprägt wird.

Ethik wissenschaftlichen Handelns

siehe Hauptartikel Wissenschaftsethik

Kritik und Konflikte

"Elfenbeinturm"

Eine Form der Wissenschaftskritik richtet sich gegen den Rückzug der Wissenschaft in ihren sprichwörtlichen Elfenbeinturm. Die Kritiker nehmen die Wissenschaft als schwer nachzuvollziehendes Gedankengebäude wahr, das nur noch Eingeweihten verständlich ist. Bei den Naturwissenschaften verstellt Mathematik den Zugang, bei den Geisteswissenschaften eine unverständliche Fachsprache. Obwohl sich viele Menschen für wissenschaftliche Fragestellungen und populärwissenschaftlich aufgearbeitete Ergebnisse interessieren, wird die eigentliche wissenschaftliche Arbeit als unverständlich wahrgenommen. Die Kritiker erleben Wissenschaftler entweder als Rationalisten, die ohne Bezug zur sinnlichen Erfahrung (Empirie) komplizierte Modelle entwickeln, als übertrieben skeptische Wissenschaftsgläubige, als Bürokraten eines unüberschaubaren akademischen Apparats oder als Diener der Wirtschaft oder des Staates.

Wissenschaftsgläubigkeit und Betrug

Eine andere Form der Kritik richtet sich gegen die Verwendung von Wissenschaft als "Ersatzreligion" (Szientismus), ein Kennzeichen ist der Glaube an Naturgesetze. Wissenschaftliche Theorien, die nach dem modernen Wissenschaftsbegriff falsizierbar (widerlegbar) sind, würden als unanfechtbare Gewissheiten angesehen. Es wird kritisiert, manche Wissenschaftler sähen die Welt ausschließlich durch die Brille ihrer bevorzugten wissenschaftlichen Theorien. Beobachtungen, die mit ihnen nicht vereinbar schienen, würden ausgeblendet; im Extremfall führe das zur Fälschung von Experimenten, um eigene Theorien zu schützen. In der gemäßigten Form erkläre diese Neigung, am eigenen Weltbild festzuhalten, manche Verzögerung, mit der sich neue Paradigmen in der Wissenschaft durchsetzen könnten. Auch wird kritisiert, Wissenschaftsgläubige würden den Aufwand eigener sorgfältiger wissenschaftlicher Arbeit scheuen und sich an Autoritäten orientieren.

Wissenschaft und Religion

Heftige Kritik an der Gültigkeit wissenschaftlicher Theorien entzündete sich in manchen Zeitepochen an Widersprüchen zu religiösen Überlieferungen und Dogmen. In den Naturwissenschaften ist das wohl facettenreichste Beispiel die Kreationismus-Debatte um eine Vereinbarkeit von biblischer Schöpfungsgeschichte mit Theorien der Kosmologie oder der Evolutionsbiologie. Ein älteres Beispiel ist der Umgang der katholischen Kirche mit Galileo Galileis öffentlichem Abrücken vom geozentrischen Weltbild. In den Geisteswissenschaften stoßen manche historisch-kritische Analysen von Bibel und anderen heiligen Büchern auf Kritik. Insbesondere, wenn die aufgrund neuerer Quellenlage oder früherer Übertragungsfehler überarbeiteten Glaubenstexte im Widerspruch zur dogmatisch akzeptierten Version des Glaubenstextes stehen. Da für den Gläubigen das Dogma per definitionem wahr ist, wird mancher einseitige Kritiker die wissenschaftliche Theorie abtun und den dogmatischen Lehrsatz unreflektiert aufrechterhalten. Im Fundamentalismus (z.B. des Islam) haben wörtliche Auslegungen heiliger Texte eine hohe Priorität.
Eine differenziertere Form der Kritik akzeptiert die wissenschaftliche Methode weitgehend und übernimmt ihre Fachbegriffe. Bisweilen werden im philosophisch-religiösen Bereich Ausnahmen von wissenschaftlichen Kernprinzipien wie Reproduzierbarkeit oder Falsifizierbarkeit eingefordert oder Kernbegriffe anders definiert. Meistens lösen sich aber Widersprüche zwischen naturwissenschaftlich und religiös begründeten Aussagen dadurch, dass sie verschiedene Ebenen betreffen. So thematisiert die Schöpfungsgeschichte der Bibel das Verhältnis zwischen Gott, Welt und Mensch, aber nicht die Wissenschaft von der sichtbaren Natur (siehe auch biblische Exegese und Hermeneutik).

Einteilung der Wissenschaften

Eine allgemeingültige Einteilung der Wissenschaften existiert nicht; die Einteilung der Wissenschaften hängt von vielen Vorentscheidungen ab und hat häufig auch willkürliche Aspekte. Es existieren deshalb verschiedene Systematiken (siehe zum Beispiel die Dewey Decimal Classification). Frühere Autoren sprachen von einem Baum der Wissenschaft sowie der Unterteilung in Einzelwissenschaften und Universalwissenschaft. Viele Disziplinen stellen eine Mischung verschiedener Fachgebiete dar und entziehen sich deshalb einer eindeutigen Zuordnung. Als Beispiel sei hier die Wirtschaftsinformatik genannt, die neben einem Kern eigener Inhalte unter anderem auch Teile aus Informatik, Mathematik, Wirtschaftswissenschaften und Kommunikationswissenschaften enthält.

Auflistung

Literatur

- Max Weber: Wissenschaft als Beruf 1919. ISBN 3150093880 ([http://www.textlog.de/weber_wissen_beruf.html Onlinetext])
- Helmut Seiffert: Einführung in die Wissenschaftstheorie. München (Beck). 4 Bände; div. Auflagen.
- Karl R. Popper: Logik der Forschung, Tübingen (Mohr-Siebeck) 2002. ISBN 3161478371
- Thomas Kuhn: Die Struktur wissenschaftlicher Revolutionen. Frankfurt/Main (Suhrkamp). Original 1962.
- Ludwik Fleck: Entstehung und Entwicklung einer wissenschaftlichen Tatsache. Frankfurt/M. (Suhrkamp) 2002. ISBN 3518279122 (Original auf deutsch 1935)
- Paul Feyerabend: Wider den Methodenzwang. Entwurf einer anarchistischen Erkenntnistheorie. Frankfurt/Main (Suhrkamp). Original 1975.
- Florian Keisinger u. a. (Hrsg.): Wozu Geisteswissenschaften? Kontroverse Argumente für eine überfällige Debatte, Frankfurt a. M./New York 2003 ISBN 359337336X
- Mario Bunge: Scientific Research Bd. I + II, Springer-Verlag New York 1967

Siehe auch

- Wissenschaftliches Arbeiten: Fachsprache, Wissenschaftssprache, Wissenschaftstheorie, Ockhams Rasiermesser, Korrespondenzprinzip, Wissenschaftssoziologie
- Klassifizierung der Wissenschaftsgebiete: Liste der Fachgebiete, Universelle Dezimalklassifikation
- Teilgebiete: Angewandte Wissenschaft, Humanwissenschaft, Agrarwissenschaft
- Abgrenzung: Betrug und Fälschung in der Wissenschaft, Pseudowissenschaft, Parawissenschaft
- Gesellschaftlicher Rahmen: Forschungsfreiheit, Forschungsprojekt
- Wissenschaftsgeschichte: Europäische Wissenschaftsgeschichte, Wissenschaft in der Sowjetunion, Wissenschaft in den USA

Weblinks

- [http://www.lsw.uni-heidelberg.de/users/amueller/wissen.html wissenschaftliche Methode]
- [http://www.science-at-home.de/misc/wissenschaft/wissenschaftliche_methode_01.php Was ist wissenschaftliche Arbeitsweise? Folien zur Funktionsweise der wissenschaftlichen Methode.]
- [http://www.oefre.unibe.ch/law/dfr/bv035079.html Hochschulurteil des Bundesverfassungsgerichts]
- Bekannte wissenschaftliche Zeitschriften:
- [http://bdw.wissenschaft.de/ Bild der Wissenschaft]
- [http://www.spektrum.de/ Spektrum der Wissenschaft]
- [http://www.nature.com/nature/ Nature] (englischsprachig)
- [http://www.sciencemag.org/ Science] (englischsprachig)
- [http://www.newscientist.com/ New Scientist] (englischsprachig)
- [http://www.stangl-taller.at/TESTEXPERIMENT/wissenschaft.html Wissenschaftstheorie]
- Wissenschaft im Internet
- [http://www.wissenschaft-aktuell.de/ Wissenschaft aktuell]
- [http://www.morgenwelt.de/ Morgenwelt]
- [http://www.wissenschaft.de/ Wissenschaft]
- [http://www.wissenschaft-online.de/ Wissenschaft-Online]
- [http://www.wissen-news.de/ Wissen-News]
- [http://www.dradio.de/dlf/sendungen/forschak/ Deutschlandfunk - Forschung aktuell]
- [http://www.dfg.de/antragstellung/#3 Grundsätze zur Sicherung guter wissenschaftlicher Praxis] der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG), Januar 1998
- [http://www.wissenschaft-im-dialog.de/fit.php4 Wissenschaft im Dialog] ! ja:科学 ko:과학 ms:Sains simple:Science th:วิทยาศาสตร์ zh-min-nan:Kho-ha̍k

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 und beschleunigt seit etwa 1990 die Computersimulation als neue Methodik innerhalb der Physik entwickelt. Computerphysiker sind keine reinen Theoretiker, da sie durch ihre Simulationen Theorien zu testen versuchen, aber auch keine reinen Experimentatoren, da ihre Experimente ausschließlich in der Welt des Rechners stattfinden. Die Bandbreite möglicher Simulationen deckt die komplette Spanne von der mathematischen Physik über Simulationen kosmologischer Modelle bis hin zur angewandten Physik ab. Naturgemäß hat dieser Bereich der Physik zahlreiche Anknüpfungspunkte an die Informatik.

Verhältnis zu anderen Wissenschaften

Abgrenzung zu anderen Wissenschaften

Zur Abgrenzung gegenüber der Biologie wird die Physik oftmals als die Wissenschaft von der unbelebten Natur bezeichnet. Eine Abgrenzung gegenüber der Chemie ist nicht so eindeutig; der Übergang von der Physik der Elektronenhülle, also der Atom- und Molekülphysik, zur Quantenchemie ist fließend. Die Mathematik beschreibt im Gegensatz zur Physik keine realen Objekte, sondern abstrakte Begriffe und deren Eigenschaften.

Wechselwirkung mit anderen Wissenschaften

Die Physik gilt als die grundlegende Naturwissenschaft, auf der alle anderen wie beispielsweise die Astronomie, die Chemie, die Geologie und letztlich auch die Biologie aufbauen. Physikalische Prinzipien und Modelle finden ihre Anwendung auch in Disziplinen jenseits der Naturwissenschaften, besonders im technischen Bereich, wie in den Ingenieurwissenschaften, aber auch in den quantitativen Wirtschaftswissenschaften. Umgekehrt haben auch oft Erkenntnisse aus anderen Fachgebieten wie der Mathematik oder der Astronomie die physikalische Forschung bereichert und stimuliert. Auch in der Philosophie finden die Erkenntnisse der Physik Beachtung: So versucht der philosophische Zweig der Metaphysik Erklärungen für das Wesen der Natur zu finden, während sich die Physik auf ihre Beschreibung beschränkt.

Physik als Studium

Das Physikstudium gliedert sich im deutschsprachigen Sprachraum in ein zweijähriges Grundstudium, an dass sich nach einer Vordiplom genannten Zwischenprüfung das Hauptstudium anschließt. Den Kern der Ausbildung bilden Experimentalphysik nebst Physikalischen Praktika und Theoretische Physik, dazu kommen Vorlesungen in Mathematik und Nebenfächern wie Chemie, Astronomie oder Informatik. In der Experimentalphysik folgt auf einen Grundkurs bestehend aus den Gebieten Mechanik, Schwingungs- und Wellenlehre, Akustik, Strömungslehre, Spezieller Relativitätstheorie, Elektrizitätslehre, Magnetismus, elektromagnetische Wellen, Optik und Wärmelehre eine Vorlesung über semiklassische Quantentheorie, Molekül- und Atomphysik. Danach schließen sich spezialisierte Vorlesungen über die modernen Forschungsgebiete der experimentellen Physik wie Plasmaphysik, Kernphysik, Teilchenphysik, Festkörper- und Halbleiterphysik an. Die Theoretische Physik wird im Rahmen des Studiums meist in einen Zyklus aus vier Gebieten eingeteilt: # Mechanik (Newton'sche Mechanik, Analytische Mechanik, Spezielle Relativitätstheorie, Hamilton'sche Mechanik) # Elektrodynamik (Elektro- und Magnetostatik, Maxwell'sche Elektrodynamik, Elektromagnetische Wellen, Spezielle Relativitätstheorie) # Quantenmechanik (Schrödinger'sche Wellenmechanik, Heisenbergsche Matrizenmechanik, Dirac-Notation, Grundzüge der Theoretischen Atomphysik, Einführung in die Relativistische Quantenmechanik) # Thermodynamik und Statistische Physik (Wärmelehre, Statistische Physik, Quantenstatistik, Vielteilchentheorie) Die Allgemeine Relativitätstheorie, Quantenfeldtheorien, Theoretische Festkörperphysik und weitere Gebiete sind an den meisten Universitäten als Spezialvorlesungen vertreten, gehören aber nicht zum Grundkanon.

Geschichte

Die neuzeitliche Geschichte der Physik wurzelt in antiken Vorarbeiten vor allem griechischer Gelehrter (insbesondere von Aristoteles) und beginnt etwa ab dem Jahr 1500. Seit dieser Zeit kann man von der Physik als eigenständiger Wissenschaft sprechen, obwohl es schon vorher physikalische Entdeckungen und Lehren gab, zum Beispiel über das Feuer, das Rad, das von Archimedes formulierte Hebelgesetz und seine Anwendung in einfachen Maschinen, erste Erkenntnisse in der Optik, der Flüssigkeitslehre und Vorstellungen vom Aufbau der Körper (Demokritsches Teilchenmodell).
- 1543 Veröffentlichung des heliozentrischen Weltbildes in „De Revolutionibus Orbium Coelestium“ („Von den Umdrehungen der Himmelskörper“) durch Nikolaus Kopernikus
- 1589 Fallgesetze (Galileo Galilei)
- 1609 Planetengesetze (Johannes Kepler)
- 1638 und 1650 Luftdruck und Vakuum entdeckt und angewendet (Evangelista Torricelli, Otto von Guericke)
- 1687 Grundgesetz der Mechanik (newtonsche Gesetze durch Isaac Newton)
- 1786 Elektrisches Grundgesetz (coulombsches Gesetz: zur Bestimmung der Kraft zwischen Ladungen)
- 1865 Theorie der elektromagnetischen Wellen (Maxwellgleichungen durch James Clerk Maxwell)
- 1895 Entdeckung der Röntgenstrahlung (X-Strahlung) durch Wilhelm Conrad Röntgen
- 1898 Entdeckung der natürlichen Radioaktivität einiger chemischer Elemente durch Marie und Pierre Curie
- 1900 Begründung der Quantenphysik durch Max Planck
- 1905 Formulierung der speziellen Relativitätstheorie durch Albert Einstein
- 1916 Veröffentlichung der allgemeinen Relativitätstheorie durch Albert Einstein
- 1938 Atomkernspaltung künstlich herbeigeführt durch Otto Hahn
- 1947 Entwicklung des Transistors durch William B. Shockley
- 1960 Entwicklung des ersten Lasers durch Theodore Maiman
- 1970 Erste kontrollierte Kernfusion im Fusionsreaktor Tokamak 3
- 1995 Erfolgreiche Bose-Einstein-Kondensation von Atomen Siehe auch: Portal:Physik, Physiker, Computerphysik, Einheitensystem, Naturkonstante, Physik für die Schule, Physikalisches System, Auf den Schultern von Giganten, Liste der Kurzschreibweisen (Physik), Liste physikalischer Sätze

Literatur

- Tipler, Paul A.; Mosca, Gene: Physik für Wissenschaftler und Ingenieure. Spektrum Akademischer Verlag 2. Auflage 2004 ISBN 3-827-41164-5
- Feynman, Leighton, Sands: Vorlesungen über Physik. Oldenbourg 1999 ISBN 3-486-25857-5
- Gerthsen; Meschede: Gerthsen Physik. Springer-Verlag 22. Auflage 2004 ISBN 3-540-02622-3
- Demtröder: Experimentalphysik 3. Auflage Springer 2004 ISBN 3-540-26034-X
- Ludwig Bergmann, Clemens Schaefer, Thomas Dorfmüller, Wilhelm T. Hering, Klaus Stierstadt:Lehrbuch der Experimentalphysik.de Gruyter 10. Auflage 1998 ISBN 3-110-12870-5

Weblinks

- Physik allgemein
- [http://www.dpg-physik.de/ Deutsche Physikalische Gesellschaft e.V.]
- [http://www.ptb.de/ Physikalisch-Technische Bundesanstalt]
- Physik-Portale
- [http://www.weltderphysik.de/ Welt der Physik]
- [http://www.pro-physik.de/Phy/External/PhyH/ Findemaschine pro-physik.de]
- [http://www.ptb.de/de/blickpunkt/interviews/_index.html Was ist Physik? Antworten prominenter Physiker]
- [http://www.gym-hartberg.ac.at/gym/physik/them.htm Zusammenstellung wichtiger Themen der Physik]
- [http://www.iap.uni-bonn.de/P2K/cover.html Physik einfach erklärt] ! als:Physik ja:物理学 ko:물리학 ms:Fizik simple:Physics th:ฟิสิกส์ zh-min-nan:Bu̍t-lí-ha̍k

Chemie

Die Chemie (von arabisch al-kimiya' ) ist die Lehre vom Aufbau, Verhalten und der Umwandlung der chemischen Elemente und ihren Verbindungen sowie den dabei geltenden Gesetzmäßigkeiten. Die Chemie entstand in ihrer heutigen Form als exakte Naturwissenschaft im 17. und 18. Jahrhundert allmählich aus der Anwendung rationalen Schlußfolgerns auf Beobachtungen und Experimente der Alchemie. Einige der ersten großen Chemiker waren Robert Boyle, Humphry Davy, Jöns Jacob Berzelius, Joseph Louis Gay-Lussac, Joseph-Louis Proust, Marie und Antoine Lavoisier und Justus von Liebig. Justus von Liebig

Was ist Chemie?

Definition

Die Chemie ist die Wissenschaft, die sich mit Stoffen (Substanzen), deren Umsetzung(en) (chemischen Reaktionen), sowie der Darstellung (Synthese), der Bestimmung und der Anwendung dieser Stoffe (bzw. deren Eigenschaften) beschäftigt. Da die für die Chemie relevanten Eigenschaften der Atome fast ausschließlich in ihrer elektronischen Struktur (Elektronenhülle) begründet liegen, können grundlegende Aufgabengebiete der Chemie auch als „Physik der äußeren Elektronenhülle“ betrachtet werden. Der Atomkern hat praktisch keinen Einfluss auf chemische Prozesse. Untersuchungen zum Aufbau von Atomkernen fallen nicht in den Bereich der Chemie, sondern sind Bestandteil de

Naturwissenschaft

Einordnung als Wissenschaft

Entwicklung

Prinzipien der Naturwissenschaften

Die drei klassischen Naturwissenschaften Physik – Chemie – Biologie

Heutige Auffassung, exakte Wissenschaften, Science

Anmerkungen

Zitate

Literatur

Siehe auch

Weblinks

Wissenschaft

Gültigkeit

Definition des Bundesverfassungsgerichtes

Wissenschaftliches Arbeiten in der Gesellschaft

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