Physik

2.3

Methoden

Es gibt keine einfachen Methoden, die einen Erkenntniszuwachs garantieren, auch nicht für die „exakte Naturwissenschaft” Physik. Es hat sich gezeigt, dass Wissen nicht immer „Steinchen für Steinchen” stetig wächst, sondern durchaus sprunghaft. Solche Sprünge sind oft von „Paradigmenwechseln” begleitet, radikalen Änderungen der Perspektive, nach denen auch bereits bekannte Phänomene gänzlich anders erklärt werden, wie z. B. beim Wechsel zwischen der Teilchen- und der Wellentheorie des Lichtes. Die Gründe für das Auftreten eines solchen Paradigmenwechsels sind vielfältig. Experimentelle Befunde sind dabei zwar ein wichtiger, aber bei weitem nicht der einzige Motor. Streng genommen kann man eine Theorie experimentell nie verifizieren oder falsifizieren, d. h. mit Sicherheit über ihre Gültigkeit entscheiden. Teilweise müssen verschiedene Theorien die Vorherrschaft sogar zunächst mit denselben experimentellen Daten ausfechten (Wärmestofftheorie, Wellen- und Teilchentheorie des Lichtes, Äthertheorie, Atomhypothese).

In der Regel werden bestehende Theorien über ihren gesicherten Anwendungsbereich hinaus extrapoliert und Hypothesen formuliert, die dann (meist indirekt) experimentell und theoretisch überprüft werden. Auch die Untersuchung von Anomalien und nicht zuletzt der Zufall (z. B. Becquerels Entdeckung der Radioaktivität) spielen eine große Rolle. Beeindruckende Voraussagen ergeben sich häufig aus einem festen Glauben an die Richtigkeit einer Theorie, selbst wenn sie den bisherigen Beobachtungsdaten widerspricht (z. B. Vorhersage und Entdeckung neuer Planeten, Vorhersage des Positrons und des Neutrinos).

Die Kriterien für die Güte einer physikalischen Theorie sind z. B. die innere Konsistenz (Widerspruchsfreiheit), die Einfachheit, Eleganz und ästhetische Schönheit der mathematischen Formulierung, die Natürlichkeit der Erklärung möglichst vieler Phänomene und Experimente und die Vorhersagekraft. Ein weniger hoch stehendes, aber zu allen Zeiten oft verwendetes Kriterium ist die Berufung auf die Meinung anerkannter Autoritäten.

3

Griechische Naturphilosophie

Die Bedeutung der griechischen Antike für die moderne Naturwissenschaft kann kaum genug betont werden, denn sie stellte einen Rahmen auf, der in vielen Bereichen auch noch heute gültig ist. Dabei sind meist nicht die einzelnen Aussagen wichtig, die gegeben wurden und die man allzu leicht als unwissenschaftlich oder mystisch verurteilt, sondern die Grundfragestellungen, die damals entwickelt wurden und hauptsächlich den „Urstoff” und seine Wandlung betrafen: Woraus besteht die Welt, woher kommt die Vielfalt in der Natur, und was bedingt ihre Veränderung?

3.1

Der Beginn: Thales, Anaximander und Anaximenes

Die große Leistung dieser ersten griechischen Naturphilosophen im 6. Jahrhundert v. Chr. in Milet („die Milesier”) war die Loslösung von der Vorstellung, dass Götter und Göttinnen, wie sie etwa bei Homer und Hesiod beschrieben werden, die Welt beherrschen. Daraus entwickelte sich das Bestreben nach einem rationalen Verständnis der Vorgänge in der den Menschen umgebenden Natur. Zwar hatten schon die Chinesen, Babylonier, Assyrer und auch die alten Kulturen Mittelamerikas umfangreiche mathematische Methoden zur Berechnung von Mond- und Sonnenfinsternissen entwickelt; diese Methoden wurden aber eher als religiöse Geheimnisse verstanden. Dieser Glaube an die prinzipielle Verstehbarkeit der Natur ist bis heute die Grundlage aller Naturwissenschaften.

Noch bestand eine untrennbare Einheit von belebter und unbelebter Natur. Leben, so Thales (ca. 585 v. Chr.), sei allmählich aus unbelebter Materie im Wasser entstanden. Dies ist durchaus als Vorläufer der Darwin’schen Evolutionstheorie zu sehen. Aus der Erkenntnis, dass alle Materie, aus der die Welt besteht, bei all ihrer unendlichen Mannigfaltigkeit doch so viel Gemeinsames hat, wurde gefolgert, dass ihr eigentlicher Grundstoff ein und derselbe sein müsse. Thales vermutete als Urstoff das Wasser. Später schlug Anaximander (ca. 565 v. Chr.) als Urstoff einen uns unbekannten Stoff (apeiron: das Unbegrenzte) vor. Anaximenes (ca. 545 v. Chr.) stellte sich die Hauptformen der Veränderung und Umwandlung durch Verdünnung und Verdichtung von Luft vor; aus Luft entstünden durch Verdichtung Nebel, Wolken, Wasser und feste Erde. An diese Theorie knüpfte später die Atomtheorie von Leukipp und Demokrit an.

Anaxagoras (ca. 500 v. Chr.), der die Tradition der milesischen Denker nach Athen brachte, lehrte, dass der Mond beschienen wird und der Erde näher steht als die Sonne, erstellte eine korrekte Theorie der Sonnen- und Mondfinsternisse und erklärte Sonne und Sterne als feurige Steine von enormer Größe. Die Hitze der Sterne spüre man nicht, da sie so weit von der Erde entfernt seien.

3.2

Die Pythagoreer

Pythagoras (um 570 bis 480 v. Chr.), eine sehr einflussreiche Persönlichkeit, war der Gründer einer sektenähnlichen Schule. Trotz der teils mystischen Verquickung von merkwürdigen Regeln (z. B. durfte man keine weißen Hähne berühren) und der Lehre von der Seelenwanderung kann man diese Schule als Geburtsstätte der Mathematik ansehen. Die Grunddoktrin seiner Lehre war: „Dinge sind Zahlen” oder „Dinge sind wie Zahlen”. Die Beobachtung, dass sich Harmonie in der Musik, die die Menschen traurig oder fröhlich stimmen kann, durch das Verhältnis ganzer Zahlen ausdrücken lässt, führte zu einem tiefen Glauben an die grundlegende Bedeutung der Zahlen, der auch später Platon (427-347 v. Chr.) stark beeinflusste.

Die Pythagoreer wussten, vermutlich durch die richtige Deutung des Schattens auf dem Mond, dass die Erde eine Kugel ist und der Mond nicht selbst leuchtet. Sie nahmen an, dass der Mond, die Erde, die anderen Planeten und die Sonne um ein „Zentralfeuer” kreisten. Um zu erklären, warum dieses Zentralfeuer nie direkt zu sehen ist, nahmen sie an, dass die Erde auf ihrem Umlauf immer ihre bewohnbare Seite vom Zentralfeuer abwendet (Philolaos, ca. 450 v. Chr.). Damit war also die Bewegung der Gestirne als eine scheinbare erklärt, und zusätzlich hatte man erkannt, dass die Erde um ihre eigene Achse rotiert.

Aristarch von Samos (310-230 v. Chr.) verbesserte diese Theorie zu einem heliozentrischen Weltbild, nachdem auch auf ausgedehnten Entdeckungsfahrten das Zentralfeuer nie beobachtet worden war und man die Sonne an die Stelle des Zentralfeuers rückte. Diese Theorie wurde allerdings von Hipparch aus Alexandria (um 190 bis 125 v. Chr.) verworfen und wurde erst fast 2 000 Jahre später von Kopernikus wieder belebt.

3.3

Parmenides und Heraklit

Die beiden herausragenden Denker der Zeit von etwa 540 bis 480 v. Chr. waren Parmenides (um 515 bis ca. 445 v. Chr.) aus der griechischen Kolonie Elea (später die Eleaten) und Heraklit von Ephesus (um 550 bis ca. 480 v. Chr.).

Parmenides vertrat die Ansicht, dass Veränderung, Werden und Vergehen nur Täuschungen unserer Sinne seien. Seine Hauptthese „IST IST” kann dahin gehend verstanden werden, dass „das Seiende” einfach da ist, d. h. sich weder aus einem „NICHT IST” entwickeln noch in ein „NICHT IST” verschwinden kann. Dieses „NICHT IST” existiere daher nicht, und das alles umfassende „Seiende” durchdringe alles. Also könne es auch keine Veränderung und Bewegung geben. Es war ihm wohl bewusst, dass diese Sichtweise in krassem Widerspruch zur sinnlichen Erfahrung steht, aber er sah sich durch den Verstand zu diesem Schluss gezwungen.

Die dazu konträre Auffassung vertrat Heraklit (beeinflusst von Anaxagoras und den Milesiern), der als einzige Gemeinsamkeit die Annahme eines einzigen „Urstoffs” mit Parmenides teilte. Der Urstoff sei in beständigem Wandel („Panta rhei” = Alles fließt), Gegensätze seien allgegenwärtig und wandeln sich in bestimmten gesetzmäßig festgelegten Proportionen ineinander um.

Empedokles (494-434 v. Chr.) versuchte eine Art Synthese aus diesen beiden so verschiedenen Ansätzen, indem er mehrere Urstoffe (Feuer, Wasser, Erde, Luft), ein jeder für sich ewig und beständig, annahm, die sich durch Anziehung und Abstoßung (heute würde man von Kräften sprechen), durch Liebe und Hass verschiedentlich aufteilen. Er versuchte so, die Vielfachheit und Wandlung der Formen mit der ewigen Beständigkeit in Einklang zu bringen. Diese Aufteilung der Welt in Stoff und Kraft ist bis heute von zentraler Bedeutung.