2.

Grundfragen und Ziel

Die Grundfragen der Physik haben sich seit ihrer Entstehung nur wenig gewandelt: Aus welchem „Stoff” besteht die Welt, und nach welchen Gesetzen bewegt sie sich?

Die Physik beschäftigt sich mit dem Versuch, die Vorgänge in der Natur zu erfassen, zu beschreiben, zu ordnen und letztlich zu verstehen. Von „Verständnis” kann gesprochen werden, wenn es gelingt, eine Vielzahl von Phänomenen mit einer vergleichsweise einfachen Theorie (griechisch theorein: schauen) zu erfassen. In der modernen Physik bemüht man sich, für die Grundbausteine der Materie und deren Wechselwirkungen eine angemessene mathematische Beschreibung zu finden, in der sich das „reale” Verhalten widerspiegelt. Von vielen angestrebt – aber bisher unerreicht – ist eine einzige, umfassende und einheitliche Theorie.

Bei allen modernen Naturwissenschaften geht man von der Grundannahme der „Existenz einer realen Außenwelt” aus. Damit ist gemeint, dass es einem Beobachter möglich ist, seinen Körper und die ihn umgebende Welt als eine (komplizierte) Maschine zu betrachten, die sich nach bestimmten Gesetzmäßigkeiten bewegt. Von einer mechanistischen Beschreibung der Welt sind keine Aussagen über Gefühle, ästhetisches Empfinden, freien Willen, Bewusstsein, Moral und Ethik etc. zu verlangen, obwohl auch darüber diskutiert wird.

1.

Gliederung der Physik

Die Physik kann nach verschiedenen Gesichtspunkten gegliedert werden: einerseits methodisch in Experimentalphysik und theoretische Physik, andererseits historisch in griechische Physik (besser Naturphilosophie), klassische Physik und moderne Physik.

Die klassische Physik gliedert sich inhaltlich in Mechanik (Lehre von der Bewegung von Punktteilchen, Statik und Dynamik starrer Körper und Flüssigkeiten), Akustik (Lehre vom Schall), Thermodynamik (Wärmelehre), Elektrodynamik (Wechselwirkung von Ladungen mit elektrischen und magnetischen Feldern) und Optik (Lehre der Lichtausbreitung).

Wichtige Gebiete der modernen Physik sind spezielle Relativitätstheorie (Umformulierung der Mechanik und Elektrodynamik unter Berücksichtigung der Gleichheit der Lichtgeschwindigkeit in allen Bezugssystemen in einer flachen Raum-Zeit), die allgemeine Relativitätstheorie (Gravitation als Folge der geometrischen Struktur der gekrümmten Raum-Zeit und ihre Dynamik, festgelegt durch die Materieverteilung), Quantentheorie (Verhalten von Materie bei kleinen Abständen) mit den Unterdisziplinen Quantenmechanik (Kernphysik, Atomphysik, Molekülphysik, Physik der kondensierten Materie) und Quantenfeldtheorie (Elementarteilchenphysik, Quantenelektrodynamik mit Anwendungen in der Quantenoptik und Laserphysik) sowie Kosmologie und Astrophysik.

Eine andere Gliederung ist durch die Unterscheidung in mikroskopische und makroskopische Physik gegeben. Die Disziplin, die aus den mikroskopischen Gesetzen das Verhalten makroskopischer Systeme erklärt, z. B. aus der klassischen Mechanik die Thermodynamik, Flüssigkeits- und Gasmechanik, ist die statistische Physik.

2.

Anwendungsbereich und Nachbargebiete

Die Physik versteht sich als grundlegende Naturwissenschaft, auf der alle anderen Naturwissenschaften aufbauen.

Es besteht eine sehr enge Verbindung mit der Mathematik, die sich in steter Wechselwirkung mit der (theoretischen) Physik entfaltet hat (man denke etwa an die Entwicklung der Geometrie von Euklid, Gauß und Riemann, die Differential- und Integralrechnung von Newton und Leibniz und die Wahrscheinlichkeitstheorie).

Die wichtigsten Nachbardisziplinen der Physik sind Chemie (eng verwandt mit der Atom- und Molekülphysik), Biologie, Geophysik, Mineralogie, Kristallphysik, Meteorologie und technische Physik.

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.