Natur und Technik für den Pflichtschulabschluss: Die wissenschaftliche Weltanschauung

Die Vorgangsweise der Wissenschaft

Wenn wir ein Blatt Papier und ein Stift gleichzeitig fallen lassen, fällt der Stift schneller. Das ist der erster Schritt des wissenschaftlichen Vorgangs: die Beobachtung der Natur. Wir haben so was oft in der Natur gesehen.

Der zweite Schritt ist ein Erklärungsversuch. Die meisten Menschen (wenn nicht alle) denken, dass der Stift schneller fällt, weil er schwerer ist. Dass schwerere Objekte schneller fallen, beobachten wir oft in der Natur.

In der Wissenschaft sollen wir allerdings Kritik ausüben. Wir sollen ein Experiment planen, das diese Erklärung widerlegen kann. Was ist das Gegenteil von unserer Hypothese? Dass leichtere Objekte schneller fallen. Unseres Ziel ist also, ein Experiment zu planen, wo ein leichterer Gegenstand schneller als ein schwererer fällt.

In unserem Beispiel ist dies relativ leicht. Wir können ein kleines Stück aus dem Blatt Papier ausschneiden und zusammenknüllen. Das große Stück Blatt ist schwerer. Laut Hypothese sollte es schneller fallen. Trotzdem fällt das kleine Stückchen Papier schneller. Wir müssen also denken, dass unsere Erklärung (wissenschaftlich "Hypothese" genannt) falsch war.

Dann kommt oft der Vorschlag, dass die Fläche das Entscheidende ist. Das Blatt Papier hat eine viel größere Fläche als das zusammengeknüllte Papierstückchen. Das Blatt fällt langsamer. Daher sollten Objekte mit einer größeren Fläche langsamer fallen.

Wir können noch ein Experiment machen, um diese Annahme zu überprüfen. Wir nehmen ein Heft und schneiden aus diesem Heft ein halbes Blatt Papier oder noch kleiner. Wir knüllen in diesem Fall das Blatt nicht zusammen. Das Heft hat eine größere Fläche, es sollte nach unserer neuen Hypothese langsamer fallen. Es fällt doch schneller. Diese Hypothese ist daher auch falsch.

Durch viele weitere ähnliche Versuche ist die Wissenschaft zu der Annahme gekommen, dass alle Objekte in Vakuum (wenn keine Luft da ist) gleichzeitig und mit der gleichen Beschleunigung fallen. Wenn die Luft da ist, ist das Phänomen kompliziert und hängt vom Gewicht, von der Fläche und von weiteren Faktoren ab. Diese Beschreibung des sogenannten "freien Falls" wurde für eine lange Zeit und bis heute nicht widerlegt.

Der erste Schritt in der Wissenschaft ist also die Beobachtung der Natur. Wir sehen beispielsweise, dass alle Objekte, die nicht von irgendwas gehalten werden, nach unten fallen. Der zweite Schritt ist ein Erklärungsversuch (Hypothese). Der dritte Schritt ist, ein Experiment zu planen, das zeigt, dass die Erklärung falsch ist. Die Erklärung wird dann manchmal völlig widerlegt, wie die erste und die zweite Erklärung in unserem Beispiel. Manchmal kommt auch der Fall vor, dass eine Erklärung erweitert wird. In diesem Fall stellt die alte Erklärung einen Grenzfall der neuen dar.

Ein Beispiel dafür ist die sogenannte "Gravitationstheorie". Diese Theorie versucht zu beschreiben, wie die Masse der Objekte (grob gesagt, ihr "Gewicht") ihre Bewegung beeinflusst. Im 18. Jahrhundert hat der berühmte Physiker Isaac Newton mathematische Gesetze entdeckt, die diesen Zusammenhang beschreiben. Seine Gesetze wurden für lange Zeit nicht widerlegt und gelten heutzutage immer noch, allerdings als Grenzfall einer allgemeineren Theorie, der Relativitätstheorie. Nach dieser Theorie gelten die Gesetze von Newton fast genau in unserem Alltag, nicht aber mehr, wenn Objekte sich sehr sehr schnell bewegen.

Unsere Erfahrung in der Wissenschaft zeigt, dass die Theorien immer robuster werden. Es wird immer schwieriger, nicht nur eine Theorie völlig zu widerlegen, sondern sie auch zu erweitern. Die Theorien werden ständig überprüft und werden immer sicherer. Ganz sicher können wir allerdings nicht sein und wir können auch gar nicht völlig ausschließen, dass unsere Theorien in der Zukunft sich doch wieder ändern werden. Das wird einfach unwahrscheinlicher, es hängt allerdings nur von unseren Beobachtungen in der Natur und von den Ergebnissen der Experimente ab.

Die Prinzipien von Popper und der Alltag der Wissenschaft

Dieser Teil kann etwas schwerer von der
Sprache oder vom Verständnis her sein

Im Idealfall sollten die Wissenschaftler nach den Prinzipien von Karl Popper arbeiten:

Zunächst sollten sie die Natur beobachten und Folgerungen ziehen (Gesetze der Natur). Diese Gesetze werden oft in der mathematischen Sprache ausgedrückt. Danach sollten sie Experimente planen, die die Gesetze überprüfen. Wenn die Ergebnisse der Experimente einem Gesetz widersprechen, sollte man überprüfen, ob das Experiment richtig geplant war. Wenn das tatsächlich der Fall ist und das Experiment richtig geplant wurde, sollte man das Gesetz anpassen. Die Experimente allerdings sollten so geplant werden, dass jede Person sie auch machen kann.

In der Regel funktioniert die Wissenschaft tatsächlich nach diesen Prinzipien, manchmal aber doch nicht. Wissenschaftler sind Mitglieder einer Gesellschaft und sind oft stark von ihrer Strukturen beeinflusst. Das bedeutet beispielsweise, dass manchmal Neukenntnisse nicht akzeptiert werden oder dass die Meinung von berühmten Wissenschaftlern sich ohne (oder sogar trotz fehlgeschlagener) Überprüfung durchsetzt. Es passiert auch, dass Wissenschaftler ihre Ergebnisse der herrschenden Ideologie oder den Wünschen ihres Arbeitgebers anpassen. Für die Forschung ist oft viel Geld notwendig und WissenschaftlerInnen sind in diesem Sinne von ihren Arbeitgebern abhängig. Insbesondere in der Medizin werden Studien oft von Pharmakonzernen finanziert, für sie unvorteilhafte Ergebnisse werden gerne nicht veröffentlicht. Auch in der Grundforschung, egal ob in Physik oder in Literatur, ist es nicht leicht auf einem Feld zu forschen, das nicht finanziert wird.

Aus all diesen Gründen ist es schwer abzuschätzen, wie oft die Wissenschaft tatsächlich unabhängig funktioniert. Es gibt allerdings einige Beispiele aus der Geschichte, die uns zeigen: Auch wenn für eine Weile die Wissenschaft ihren Prinzipien nicht folgt, kommen im Nachhinein die (bewussten oder unbewussten) Fälschungen der Ergebnisse ans Licht.

Einsteins Relativitätstheorie wurde oft bezweifelt, nicht zuletzt aus rassistischen Gründen (Einstein war Jude).
Genauso rassistisch geprägt war die „deutsche Physik“ der Nazizeit.
In der stalinistischen Sowjetunion musste sich die Wissenschaft (wie allerdings alles) an die Vorschriften der Partei anpassen (Partei-„Religion“).
Die verheerenden Konsequenzen des Rauchens wurden von der Tabakindustrie jahrzehntelang verheimlicht.
Die Industrie von genetisch manipulierten Organismen (GMO) versucht Forschungen zu unterbinden, die zeigen, dass das manipulierte Erbgut sich in einer unerwünschten Weise ausbreitet.

Im Nachhinein wurde Einsteins Theorie bestätigt, die Konsequenzen des Rauchens sind jetzt allen bekannt, die Deutsche Physik und die Funktionsweise des Stalinismus sind (hoffentlich) Geschichte. Was GMO betrifft, kommen immer mehr Nachweise ans Licht, die zeigen, dass das Erbgut sich tatsächlich in einer unerwünschten Weise ausbreitet.

Definition der Wissenschaft

Symbole verschiedener Religionen. Die Gottesfrage kann die Wissenschaft nicht beantworten

Die Wissenschaft versucht zu erklären, wie die Phänomene in der beobachteten Natur stattfinden. Eine alltägliche Beobachtung beispielsweise ist, dass alle Objekte auf den Boden fallen. Das ist schon ein Gesetz, ein Gesetz der Natur und auch der Physik. Die Wissenschaft versucht auch zu beschreiben, in welcher Weise das Fallen passiert. Wie schnell fallen die Objekte nach unten? Gibt es eine mathematische Formel dafür? In der Physik wurde tatsächlich eine Formel dafür gefunden. Warum fallen aber alle Objekte so, wie diese Formel es beschreibt? Das weiß man eben nicht. Man kann nur sagen, dass die Objekte immer fallen und zwar so, wie die Formel es beschreibt. Dadurch ist auch eine Voraussage möglich. Wenn ein Objekt in der Zukunft fallen wird, wird es genau so fallen, wie in der Formel beschrieben.

Absolut sicher sind wir in der Wissenschaft allerdings nie. Wir können nie ausschließen, dass ein Gesetz durch eine Beobachtung oder ein Experiment widersprochen oder teils geändert wird. Sachliche, begründete und konstruktive Kritik ist die Hauptaufgabe der wissenschaftlichen Tätigkeit. Die wissenschaftlichen Aussagen sollten auch so weit wie möglich von jeder Person überprüfbar sein. Ein Beispiel ist das Fallen von Objekten. Jede Person sollte in diesem Beispiel in der Lage sein, durch Versuche zu verstehen, dass schwerere Objekte nicht unbedingt schneller fallen, auch wenn dies unsere allgemeine Wahrnehmung widerspricht. Ein leichteres zusammengeknülltes Stück Papier fällt ja schneller als ein flaches Blatt Papier. Die Erklärungen der Wissenschaft sollten also so leicht verständlich wie möglich sein.

Die Wissenschaft ist eine Beschreibung der Natur durch (oft mathematisch ausgedrückte) Gesetze. Sie versucht nicht einen letzten Grund zu finden (die Antwort zur Frage „Warum“). Beispielsweise kann die Wissenschaft nicht sagen, ob es Gott gibt oder nicht. Sie kann auch nicht sagen, ob etwas schön ist oder nicht (Frage der Ästhetik).