Naturwissenschaft

"Versuch macht kluch."

Naturwissenschaft ist eine unserer wichtigsten Lebensgrundlagen weil sie uns dabei helfen kann, die Dinge unseres Alltags zu bewerten, Entscheidungen zu treffen und die Konsequenzen unseres Handelns abzusehen. Naturwissenschaft ist auch die Grundlage vieler Werte in unserer Gesellschaft. Immer wieder beobachte ich, dass Politiker und Konzerne den Wissenschaftsbegriff dazu verwenden, die Menschen von ihren politischen Zielen zu überzeugen.

Durch das Internet besteht heutzutage die Möglichkeit, dass Wissenschaftler ohne den offiziellen Segen von Verlagen oder anderen Institutionen wissenschaftliche Arbeiten publizieren können. Die Wissenschaft ist dadurch ein Stück freier geworden. Die Qualität der Wissenschaftlichen Arbeit hängt dabei allein von der Gründlichkeit des Autors ab, was man an dieser Form der Publikation durchaus kritisieren kann. Der Leser der Wissenschaftlichen Arbeit muss nun das tun, was er eigentlich schon immer tun sollte: Er muss die Qualität der wissenschaftlichen Arbeit selbst prüfen. Aus diesem Grund ist die Beschäftigung mit den wichtigsten Prinzipien der Naturwissenschaft notwendig, denn anhand dieser Prinzipien kann jeder selbst leicht überprüfen, was hinter wissenschaftlichen Studien steckt, welche Aussagen eine wissenschaftliche Studie treffen kann und welche nicht. Darum möchte ich im Folgenden die wichtigsten naturwissenschaftlichen Prinzipien anhand einiger Fragen stichpunktartig erläutern:

Definitionen von Begriffen

Was ist Naturwissenschaft?
Ich habe mal einen schönen Spruch gehört, der die Frage nach der Naturwissenschaft auf den Punkt bringt: “Naturwissenschaft ist die Summe aller möglichen Experimente.“

Was ist ein Experiment?
“Ein Experiment ist eine genau definierte, präparierte, und für jedermann reproduzierbare Situation, bei der alle störenden Variablen ausgeschaltet oder kontrolliert werden und eine unabhängige Variable durch den Experimentator gezielt verändert wird. Ziel des Experiments ist die Beobachtung der Auswirkungen der Veränderung der unabhängigen Variable auf alle anderen abhängigen Variablen.”
Diese Definition beinhaltet auch die Kriterien, wie ein wissenschaftliches Experiment aufgebaut sein muss und welche Anforderungen es erfüllen muss. Die Formulierung der Kriterien, die ein Experiment erfüllen muss ist im Grunde genommen einfach, doch die Umsetzung dieser Kriterien erfordert einen beachtlichen Aufwand.

Was ist das Wesen eines Experiments?
“Im Experiment beobachtet man immer das gesamte Universum. Gerade die Experimente mit einem unerwarteten Ergebnis sind besonders wertvoll, weil sie die Grenzen des Wissens erweitern.”
Unser Verständnis der Natur ist begrenzt. Gerade die Tatsache dieses begrenzten Verständnisses macht das Experiment für uns so wertvoll, weil im Experiment auch die Dinge in Erscheinung treten, deren Berücksichtigung wir nicht beabsichtigt haben. Die Tatsache, dass in einem Experiment immer das ganze Universum beobachtet wird bedeutet aber auch, dass der Experimentator selbst stets das Experiment beeinflusst. Ein Experiment erfasst einen physikalischen Sachverhalt stets vollständig, auch wenn der Experimentator den physikalischen Effekt nicht verstanden hat.

Was bedeutet Messen?
„Jede Maßeinheit ist das Ergebnis eines genau definiertes Experiments. Messen ist nichts weiter als der Vergleich einer beobachteten Größe mit dem Ergebnis des Experiments, das die Maßeinheit definiert.“
Selbst wenn wir die Natur nicht verstehen, können wir sie durch das Messen beschreiben. Jeder physikalische Effekt, der in Erscheinung tritt, kann als Bezugsgröße für eine Einheit verwendet werden und ist deshalb auch messbar. Die Durchführung von Messungen im Experiment ist der Anfang jeder wissenschaftlichen Tätigkeit. Die Durchführung von Messungen erlaubt die vollständige Beschreibung eines physikalischen Phänomens, ohne dass der Experimentator das Phänomen verstanden haben muss.

Was ist eine physikalische Größe?
„Eine physikalische Größe ist das Produkt aus einer Zahl und einer Maßeinheit.“ In einem kohärenten Einheitensystem ist die Formulierung von Ähnlichkeitsgesetzen möglich.

Was ist ein physikalisches Gesetz?
„Ein physikalisches Gesetz ist eine Regel, die die Zusammenhänge der Veränderung von physikalischen Größen beschreibt. Einem physikalischen Gesetz liegen immer genau definierte physikalische Experimente zu Grunde.“
Das Wort "Gesetz" ist in diesem Zusammenhang sehr treffend, weil physikalische Gesetze genau so wie juristische Gesetze Festlegungen von Regeln sind, mehr nicht. Bezüglich eines physikalischen Gesetzes kann stets nur die Aussage getroffen werden, ob es in einem Experiment zutreffend war oder nicht.

Was ist eine Theorie?
„Eine Theorie ist ein gedankliches Modell, mit dem die Beobachtungen in einem Experiment anhand physikalischer Gesetze erklärt werden kann. Es kann hierbei nur die Aussage getroffen werden, dass eine Theorie in einem konkreten Experiment zutreffend oder nicht zutreffend war, mehr nicht.“
Theorien werden oft dazu genutzt, um Vorhersagen über den Ausgang von Experimenten zu machen. Im Grunde genommen handelt es sich hierbei nie um Vorhersagen sondern um Schätzungen. Die Schätzungen können zutreffend sein, wenn keine anderen Störgrößen auftreten, die durch die verwendete Theorie nicht beschrieben werden.

Was bedeutet Schätzen?
"Schätzen bedeutet, eine reale Situation mit einem bekannten Experiment zu vergleichen, dass der realen Situation möglichst nahe kommt." Durch Schätzungen lassen sich Aspekte real vorhandener Situationen sowie die Konsequenzen stattfindender Ereignisse beschreiben.

Was ist eine Beobachtung?
“Eine Beobachtung ist die bewusst herbeigeführte Wahrnehmung und Dokumentation der Strukturen und Muster eines auftretenden Phänomens.“ Beobachtungen und Mustererkennung sind eine Möglichkeit, die Charakteristika von komplexen Systemen zu erfassen.

Was sind Daten, Informationen und Wissen?
"Daten sind ein Abfolge aus Zeichen, die erst dann zu Informationen und Wissen werden, wenn sie interpretiert werden. In der Naturwissenschaft werden Daten aus einem messtechnisch beobachteten Ereignisses interpretiert, indem diese mit den Daten eines bekannten Experiments verglichen werden. Erst der Bezug der Daten zu einem bekannten Experiment erzeugt Informationen, die dann, wenn sie mit anderen Informationen in Bezug gesetzt werden, zu Wissen werden." Durch die Verwendung von Maßeinheiten werden aus Signalen Daten. Durch die Dokumentation des Versuchsaufbaus werden aus den Daten Informationen. Durch den Verweis auf andere wissenschaftliche Arbeiten wird aus Informationen Wissen.

Was ist ein komplexes System?
“Komplexe Systeme sind Systeme, die aus miteinander wechselwirkenden Systemen bestehen. Sie zeichnen sich im Allgemeinen dadurch aus, dass sie spontane Phänomene hervorbringen können und mehrere stabile Zustände besitzen.” Das Verhalten von komplexen Systemen ist nicht vorhersagbar. Die auftretenden Zustandsmuster der Phänomene, die ein komplexes System hervor bringt, sind für das betreffende komplexe System oft Charakteristisch, vergleichbar mit einem Fingerabdruck. Bei der Durchführung von Experimenten ist zu klären, ob im Experiment ein komplexes System vorliegt oder nicht.

Was ist eine Versuchsauswertung?
Die Versuchsauswertung beinhaltet folgende Aufgaben:

• Die Dokumentation des Experiments
• Die Dokumentation der gewählten Messverfahren und ihrer theoretischen Hintergründe
• Die Liste der durch die Messverfahren kontrollierten und beobachteten Variablen.
• Die Darstellung der Messergebnisse, graphisch, in Tabellenform oder in Textform. Die Darstellung sollte die praktische Anwendung der Messergebnisse erleichtern.
• Eventuell die Darstellung der Messergebnisse mit dimensionslosen Kennzahlen.
• Der Vergleich der Messergebnisse mit theoretischen Maximalwerten und Grenzen.
• Die Prüfung, ob bekannte wissenschaftliche Theorien im Experiment zutreffen.
• Die Formulierung erkennbarer Gesetzmäßigkeiten im Verhalten von Variablen.
• Eventuelle Schlussfolgerungen für die praktische Bedeutung der Messergebnisse.
• Die Betrachtung der Messfehler mit Hilfe einer Fehlerrechnung.
• Bereitstellung von Verweisen auf andere wissenschaftliche Arbeiten, die der Auswertung der Messergebnisse zu Grunde liegen.

Was ist eine Maschine?
"Eine Maschine ist eine Zusammenstellung von Experimenten, deren Variablen miteinander gekoppelt sind." Die Verwendung eines Bauteils einer Maschine ist stets die Wiederholung eines bekannten Experiments. Die gesamte Technik besteht aus nichts weiter als aus der Wiederholung von bekannten Experimenten. In jeder Maschine wird stets eine genau definierte, präparierte, und reproduzierbare Situation geschaffen, bei der alle störenden Variablen ausgeschaltet oder kontrolliert werden und die unabhängigen und abhängigen Variablen der einzelnen Bauteile miteinander verbunden sind.

Wissenschaftliches Arbeiten

Wichtigkeit von wissenschaftlichen Berichten
“Wer schreibt, der bleibt.”
Es gibt Unternehmen, die halten ausführliche wissenschaftliche Berichte für eine Verschwendung von Zeit und Geld. Anhand meiner praktischen Erfahrung sind wissenschaftliche Berichte aber eines der wesentlichen Mittel der wissenschaftlichen Arbeit. Keine wissenschaftlichen Berichte zu verfassen ist vergleichbar mit der Erkundung eines fremden Gebietes ohne Landkarte und Kompass. Das was man beim Verfassen wissenschaftlicher Berichte spart, bezahlt man später teuer in der Produktion.
Wissenschaftliche Berichte …

• … dokumentieren Experimente.
• … dokumentieren Rechercheergebnisse.
• … verschaffen einen Überblick.
• … machen den Stand der Technik sichtbar.
• … sind Nachschlagewerke.
• … filtern Informationen und schützen vor einer Überflutung mit Informationen.
• … helfen bei der Konzentration auf das Wesentliche.
• … helfen Kollegen beim Einstieg in das Thema.
• … sind ein Kommunikationsmittel zwischen Projektpartnern.
• … sind eine Ressource an Wissen und bares Geld wert.
• … helfen bei der Einschätzung der Handlungsmöglichkeiten.
• … dokumentierten auch das, was nicht funktioniert hat.
• … helfen bei der praktischen Anwendung des Wissens.
• … verknüpfen das dokumentierte Wissen durch Quellenverweise mit anderen wissenschaftlichen Arbeiten.

Vorteile einer wissenschaftlich experimentellen Basis im Alltag
Das, was wir wirklich wissen, ist letztendlich nur das, was wir im Experiment beobachten und reproduzieren können. Erst durch Wissen und Erkenntnis sind wir in der Lage, mit komplexen Sachverhalten zurechtzukommen, ohne zu viele Erfahrungen in Form von Rückschlägen teuer bezahlen zu müssen.

Mythen über Naturwissenschaft

Messungen sind objektiv
Die Fragestellung, ob Messungen objektiv und wertneutral sind macht aus Naturwissenschaftlicher Sicht keinen Sinn. Messungen sind lediglich eine Methode, Naturphänomene zu beschreiben und Begriffe für Naturphänomene mit Hilfe von Experimenten zu definieren. Messergebnisse zu interpretieren bedeutet lediglich, sie mit den Daten bereits bekannter Experimente zu vergleichen.

Es gibt Naturphänomene, die nicht messbar sind
Jedes Naturphänomen, dass unter definierten Bedingungen in Erscheinung tritt, kann selbst als Maßeinheit verwendet werden. Somit ist es auch messbar. Lassen sich keine definierten Bedingungen finden, unter denen das Phänomen reproduzierbar in Erscheinung tritt, liegt häufig ein gleichzeitiges Auftreten vieler Naturphänomene vor, das die Untersuchung eines einzelnen Naturphänomens erschwert und auf den Beobachter verwirrend wirken kann.

Es gibt Spitzenforschung und Experten, deren Aussagen besonderes Gewicht haben.
Das einzige, wonach man Forschung bewerten kann ist die Qualität der Experimente und die Qualität der öffentlich zugänglichen Dokumentationen der Experimente. Experimente sind das einzige, was wirklich verlässlich ist, auch wenn die Theorien aus den Experimenten lediglich Aussagen über ein konkretes Experiment machen können. Das Wort "Spitzenforschung" ist eher als politischer Begriff zu sehen, der nichts über die durchgeführten wissenschaftlichen Experimente aussagt. Der Bergriff "Spitzenforschung" sollte deshalb stets hinterfragt werden und anhand der durchgeführten Experimente bewertet werden.

Die Ergebnisse der Experimente, die mit einfachsten Mitteln durchgeführt wurden, die nicht dem neusten Stand der Technik entsprechen sind nutzlos.
Die Verwendung eines Versuchsaufbaus von hoher Qualität ermöglicht eine bessere Reproduzierbarkeit eines Experiments, mehr nicht. Ob ein Experiment Nutzlos ist hängt davon ab, welche Schätzungen mit den im Experiment beobachteten Zusammenhängen durchgeführt werden sollen. Wichtig ist vor allem, ob das Experiment der Situation ähnlich ist, die geschätzt werden soll. Wenn keine Ähnlichkeit zwischen dem Experiment und der geschätzten Situation besteht, hilft selbst der beste und teuerste Versuchsaufbau nichts. Die Aussage, ob eine Ähnlichkeit zwischen dem Experiment und der geschätzten Situation vorliegt kann erst getroffen werden, wenn für beide Situationen Messwerte Vorliegen.

Experimente sollten am besten von den führenden Forschungsinstituten mit Versuchsgeräten von bester Qualität durchgeführt werden. Die Experimente selbst durchzuführen ist Zeitverschwendung.
Die Durchführung von Experimenten ist die Quelle des Wissens und eine Lebensgrundlage. Sich allein auf führende Forschungsinstitute zu verlassen bedeutet, eine neue Priesterkaste einzurichten, die einem sagt, wie die Welt funktioniert. Selbst durchgeführte Experimente liefern Informationen über die Gesetzmäßigkeiten des Experiments und zusätzlich noch Erfahrungen bezüglich Materialbeschaffung, Fertigung und der störenden Einflüsse der Umgebung der experimentellen Situation.

Die erneute Durchführung eines Experiments, das bereits einmal durchgeführt und dokumentiert wurde, ist Zeitverschwendung.
Die Durchführung eines Experiments bringt zusätzlich zu den Messergebnissen, noch Erfahrungswerte aus dem Versuchsaufbau, der Versuchsdurchführung und dem Versuchsabbau des Versuchssituation. Das heißt, dass durch das Experiment Erfahrungen darüber vorliegen, was bei der Materialbeschaffung oder bei der Entsorgung zu beachten ist und wie sich der Versuch auf die Umgebung des Labors ausgewirkt hat. Das Experiment ist definitionsgemäß für jedermann reproduzierbar, die Versuchsumgebung hingegen ist immer einzigartig.

Naturwissenschaft erfasst immer nur kleine Teile der Wirklichkeit, aber niemals die ganze Wirklichkeit auf einmal.
Im Experiment werden kontrollierte Bedingungen geschaffen und dadurch alle störenden Variablen einer Situation kontrolliert oder ausgeschaltet. Das bedeutet aber nicht, dass die Situation des Experiments vom Rest des Universums getrennt wurde. Im Experiment wird auch bei kontrollierten Bedingungen stets das gesamte Universum betrachtet.

Naturgesetze, die auf Experimenten beruhen, haben absolute Gültigkeit.
Ein Naturgesetz hat per Definition niemals den Anspruch, in jedem Fall zutreffend zu sein. Es gilt immer nur für die Messwerte eines konkret durchgeführtes Experiments, das es beschreibt. Naturgesetze eignen sich aber oft dazu, Schätzungen über die weitere Entwicklung von Ausgangssituationen durchzuführen.

Deduktion: Durch Theorien, die in einem konkreten Experiment gewonnen wurden, ist man in der Lage, Vorhersagen bezüglich ähnlicher Situationen zu machen.
Werden aus einer Theorie Vorhersagen abgeleitet, so handelt es sich bei diesen Vorhersagen genau genommen immer um Schätzungen. Die Schätzungen können nach Stattfinden eines Ereignisses als zutreffend erweisen, oder auch nicht. Wie stark einer Schätzung anhand einer Theorie vertraut wird, ist immer eine Sache der persönlichen Bewertung desjenigen, der der Schätzung das Vertrauen schenkt. Sind die Vorhersagen einer Theorie erfahrungsgemäß in sehr vielen Fällen zutreffend, steigt im Allgemeinen das Vertrauen in die Schätzungen.

Naturwissenschaft hat die Aufgabe, Erklärungen für Phänomene zu finden
Sobald Naturwissenschaft Erklärungen für Phänomene formuliert, formuliert sie Glaubenssätze. Das einzige, was Naturwissenschaft kann ist, Beobachtungen und Messergebnisse aus Experimenten miteinander in Verbindung zu bringen und Gesetzmäßigkeiten für die Messergebnisse konkreter Experimente zu formulieren.

Naturwissenschaft ist keine Religion
Sobald eine Naturwissenschaft versucht, Phänomene, die in Experimenten auftreten zu erklären, wird sie zum Glauben. Wenn eine Naturwissenschaft sich dann darauf beschränkt, die Erklärungen von Phänomenen zu rezitieren, wird sie zur Religion.

Die Naturwissenschaften ermöglichen es, Vorgänge, die in Experimenten und außerhalb experimenteller Situationen stattfinden zu verstehen.
Die vollständige intellektuelle Erfassung eines physikalischen Vorgangs an sich macht meiner Ansicht nach keinen Sinn, weil niemand wissen kann, ob und wann ein physikalischer Vorgang vollständig intellektuell erfasst wurde. Das einzige, was wir über einen physikalischen Vorgang wissen ist die Summe der physikalischen Gesetzmäßigkeiten aller uns bekannten Experimente, die in einem konkreten Fall zutreffend waren oder nicht zutreffend waren.

Das Aufnehmen möglichst vieler Messwerte mit möglichst vielen Sensoren erhöht die Aussagekraft eines Experiments.
Das Aufnehmen möglichst vieler Messwerte verleitet meiner Erfahrung nach oft dazu, dass störende Variablen in Experimenten nicht ausgeschaltet werden. Unbekannte störende Variablen aus den Messwerten rechnerisch herauszufiltern ist nicht möglich, wenn man die Gesetzmäßigkeiten, die im Experiment zutreffen, nicht kennt. Eine stark begrenzte Zahl an Sensoren zwingt den Experimentator hingegen, Störfaktoren konsequent auszuschalten und führt so oft zu aussagekräftigeren Experimenten.

Eine wissenschaftliche Arbeit wird dann erst glaubwürdig, wenn sie von mehreren Wissenschaftlern offiziell im Peer-Review begutachtet worden ist.
Die Überprüfung einer wissenschaftlichen Arbeit durch einen Kollegen hilft dem Autor der wissenschaftlichen Arbeit, Mängel zu beheben. Die Begutachtung einer wissenschaftlichen Arbeit durch offizielle Institutionen (Peer-Review) gibt Hinweise darüber, ob eine wissenschaftliche Arbeit mit der Lehrmeinung der jeweiligen Institution übereinstimmt oder nicht. Über die Glaubwürdigkeit der wissenschaftlichen Arbeit sagt das Peer-Review nichts aus. Glaubwürdig wird eine wissenschaftliche Arbeit für den Leser dann, wenn die in ihr beschriebenen Experimente durch den Leser selbst reproduzierbar sind.