Grundidee

Die Physik ist eine empirische Wissenschaft, die Mathematik aber nicht: der Unterschied ist, dass man bei der Physik jede Theorie an praktischen Versuchen oder Beobachtungen der Wirklichkeit überprüfen muss. Das ist in der Mathematik nicht der Fall. Dort genügen rein logische Argumente. Das ist hier näher vorgestellt.

Bildbeschreibung und Urheberrecht — Man sieht einen kleinen Haufen von Herzmuschelschalen.☛

Einführungs-Zitat

ZITAT:

"Unser Wissen über die physikalische Welt kommt daher, dass wir Annahmen über die Natur machen, diese Annahmen als Postulate formulieren, aus denen wir Vorhersagen machen und dann diese Vorhersagen im Experiment überprüfen. Wenn das Experiment nicht mit der Vorhersage übereinstimmt, dann waren wohl die ursprünglichen Annahmen falsch."^[5]

Definition von Empirismus

Als Empirismus bezeichnet man die Position, dass ein letztendliches Urteil über wahr oder unwahr nur durch die sinnliche Beobachtung geleistet werden kann. Solche sinnlichen Beobachtungen dürfen auch mit Hilfe von Instrumenten durchgeführt werden. Zu den Naturbeobachtungen zählen auch Experimente. Als eine Gegenposition zum Empirismus gilt der 👉 Rationalismus

Arbeitsmethode: empirisch

Empirische Wahrscheinlichkeiten, Hypothesentests, Fragebögen, Experimente und die Operationalisierung von theoretischen Konstrukten sind grundlegende Methoden einer empirisch arbeitenden Wissenschaft. Um eine Position zu entwickeln, genügt es auf Dauer nicht, bloß Gedankenexperimente und rein theoretische Überlegungen anzustellen. Alle Aussagen müssen letztendlich mit Versuchen oder Beobachtungen in der realen Welt untermauert werden.^[6] Lies mehr unter 👉 empirisch

Beispiele

Eisenfressende Straußen

Im Jahr 1260 verfasste der dominikanische Mönch und Gelehrte Albertus Magnus (Doctor universalis) sein Buch De Animalibus, auf Deutsch so viel wie "Über die Tiere". Darin greift den seit der Antike belegten Glauben auf, dass Straußen nahezu alles fressen^[7]. Die Idee ist nicht so weit hergeholt wie sie anfangs erscheint. Tatsächlich nehmen Straußen Steine auf und schlucken sie. Da Straußen keinen Magen haben, muss die Nahrung auf eine andere Weise zerkleinert werden. Das geschieht bei Straußen im Muskelmagen. Steine im Magen helfen dabei, die Nahrung zu zerquetschen.^[8] Kau- oder Muskelmägen sind in der Tierwelt gar nicht so selten. So haben zum Beispiel auch Eiderenten einen stark muskulösen Magen, mit dem sie die Schalen von lebenden Muscheln knacken.^[9] Dass Vögel also harte Gegenstände schlucken, mag für gute Naturbeobachter durchaus plausibel gewesen sein. Doch Albertus Magnus bleibt nicht dabei stehen, dass eine Behauptung weit verbreitet, von Autoritäten belegt oder sogar an sich plausibel isst. Er prüft es selbst nach.

ZITAT:

Albertus Magnus, 1260: "Es wird gesagt, dass dieser Vogel Eisen frisst und verdaut. Aber ich habe das nicht so erfahren, denn ich habe oft Eisen vor mehrere Strauße gelegt, und sie wollten es nicht fressen."^[10]

Albertus Magnus gilt heute als ein früher Vordenker der empirischen Methode: er begnügte sich nicht damit, die Aussagen anerkannter Denker, etwa von Plinius dem Älteren, Augustinus, Aristoteles, Hippokrates, Galen oder Seneca, bloß zu kommentieren.^[11] Indem er sich erlaubte, diese selbst zu prüfen, trennte er Fakt von Fabulation. Genau das ist der Kern der modernen Naturwissenschaften.

Die Himmelssphären der Astronomie

Das katholische Denken des Mittelalters suchte in der Welt die vollendete göttliche Ordnung zu erkennen. Zu dieser Ordnung gehörte die Idee, dass die Kugel die perfekteste aller geometrischen Körper sei. Entsprechend nahm man an, dass sich alle Himmelskörper auf Kugelbahnen um die Erde bewegten (Geozentrismus). Rein denkerisch war diese Haltung weder zu widerlegen noch zu beweisen. Eindeutig widerlegt wurde sie letztendlich als Galileo Galilei mit einem einfachen Fernrohr auf den Jupiter blickte. Er sah, das, dass der Planet von vier Monden umkreist wurde. Zumindest die Monde kreisten also nicht um die Erde sondern um einen anderen Himmelskörper. Damit war die Idee von Himmelssphären empirisch widerlegt. Siehe auch 👉 Galileo Galilei

Heilen Heilsteine wirklich?

Wie könnte man empirisch überprüfen, ob ein bestimmter Stein zuverlässig heilende Wirkungen für Menschen hat? Zur Antwort gehören genaue Definitionen, ein strenges Versuchsprogramm und statistische Auswertungen und Deutungen. Mehr dazu unter 👉 Heilstein-Empirie

Geometrie

Können sich zwei parallele Geraden, die nicht identisch miteinander sind, jemals berühren? In der einen Mathematik kann man das verneinen. Die sogenannte Euklidische Geometrie schließt das aus. Und zwischen zwei Punkten im Raum kann es immer nur eine einzige kürzeste Verbindungsstrecke geben. Alles andere ist undenkbar. Aber passt das auch auf die Wirklichkeit? Muss sich die Wirklichkeit an das halten, was wir denken können? Albert Einstein thematisierte auf einer Vorlesung zu seiner Allgemeinen Relativitätstheorie genau das, als unterstrich, dass ein Physiker alles empirisch überprüfen müsse.^[14] Tatsächlich können die Aussagen der euklidischen Geometrie, die uns so einleuchtend erscheinen, auch schon ohne die Relativitätstheorie wirkungsvoll angezweifelt werden. Siehe auch 👉 euklidische Geometrie

Naturwissenschaften als strenger Empirismus

Die modernen Naturwissenschaften sehen sich heute als streng empirisch. Ob eine Theorie als wahr oder falsch gilt, wird alleine daran gemessen, wie sehr sie durch Beobachtung und Experiment bestätigt werden kann. Der Physiker und Nobelpreisträger Richard Feynman schreibt: "The principle of science, the definition, is almost the following: The test of all knowledge is experiment. Experiment is the sole judge of scientific 'truth'." Mehr unter 👉 Naturwissenschaft

Anfänge in der Scholastik?

Blüte der Wissenschaft

Im Mittelalter wurde Wissenschaft in Westeuropa vor allem an Universitäten betrieben und deren Fragestellungen waren stark von theologischen Themen geprägt. Die Denkströmung, die die christliche Theologie mit der Philosophie, vor allem des Aristoteles, in Einklang zu bringen versuchte, nennt man die Scholastik. Die Scholastiker Westeuropas entwickelten die Prüfung von Texten mit Hilfe der Logik auf ein sehr hohes Niveau. Man darf sich Denker wie Albertus Magnus, Thomas von Aquin, Roger Bacon, Wilhelm von Ockham keineswegs als kritiklose Fackelträger antiker Vorbilder vorstellen. Ganz im Gegenteil. Texte aus der Antike sowie aus der arabischen und jüdischen Philosophie wurden mit Neugier gelesen. Eigene Ansichten wurden ständig kritisch in Disputen und Kommentaren geprüft und weiterentwickelt.

Weltoffenheit

Das Interesse der meisten Denker der Scholastik war jedoch auf Texte, auf sprachlich vermittelte Gedanken fokussiert. Man las und durchdachte die Bibel, die Schriften von Plinius dem Älteren, Augustinus, Aristoteles, Hippokrates, Galen oder Seneca aber auch arabische und jüdisch Gelehrte Avicenna aus Persien (980 bis 1037), Averroes aus Andalusien (1126 bis 1138) oder Maimonides aus Cordoba (1135/1138 bis 1204). Die überlieferten Fakten aber an der physikalischen Wirklichkeit zu überprüfen war noch die Ausnahme.

1260 beschrieb Albertus Magnus, wie er der allgemeinen Ansicht, Straußen würden Eisen fressen, mit einem Versuch nachging.^[10]

1267 interessierte sich Roger Bacon für runde Lichtflecken bei eckigen Blenden.^[11]

1330 Johannes Buridanus belegt Aussagen zum physikalischen Impuls mit den wirklichen "Phänomenen".^[12]

Zum Ende der Scholastik, vor allem im 15. Jahrhundert, wurden zunehmend die Frage interessant, welches Wissen (Scibilia) und in welcher Sicherheit die Natur geben kann. Hier wurden moderne erkenntnistheoretische Grundbegriffe und Probleme bereits klar ausformuliert. Die Tendenz war insofern mittelalterlich, als dass die letzte Wahrheit immer in der Logik und Vernunft zu suchen war, aber der alleinige Rückgriff auf Autoritäten (z. B. Aristoteles) als Beweis zunehmend kritisch gesehen wurde. Zudem wurde die Beobachtung der Natur zunehmend auch interessant als Quelle für Argumente und es herrschte eine Atmosphäre von "selbstbewusster Kritikfähigkeit" und "Innovationsbereitschaft"^{[1, Seite 538]}. Siehe auch 👉 Scholastik

Was ist das Novum organum?

So hieß das im Jahr 1620 veröffentlichte Hauptwerk des englischen Naturphilosophen Francis Bacon. In diesem auf Latein geschriebenen Buch legte Bacon die Grundprinzipien einer streng empirischen Forschung dar. Siehe auch 👉 Novum organum

Fußnoten

[1] Hans Ulrich Wöhler: Die Erfurter via moderna im Spiegel der Naturphilosophie? In: Miscellanea Mediaevalia. Veröffentlichungen des Thomas-Instituts der Universität zu Köln. Herausgegeben von Jan A. Aertsen und Martin Pickavé. Band 31. „Herbst des Mittelalters“? Fragen zur Bewertung des 14. und 15. Jahrhunderts. Verlag Walter de Gruyter. 2004. Seite 520 ff. ISBN 3-11-018261-0.

[2] T. C. Chamberlin: The method of multiple working hypotheses. In: Science. 15 (366) 1890. Seiten 92 bis 96. doi:10.1126/science.ns-15.366.92

[3] Die Kernidee des Empirismus, nämlich die enge Bindung an Versuche und Beobachtungen, formulierte schon früh Isaac Newton (1642 bis 1727) in seinem berühmten Buch Opticks: "As in Mathematicks, so in Natural Philosophy, the Investigation of difficult Things by the Method of Analysis, ought ever to precede the Method of Composition. This Analysis consists in making Experiments and Observations, and in drawing general Conclusions from them by Induction, and admitting of no Objections against the Conclusions, but such as are taken from Experiments, or other certain Truths. For Hypotheses are not to be regarded in experimental Philosophy. And although the arguing from Experiments and Observations by Induction be no Demonstration of general Conclusions; yet it is the best way of arguing which the Nature of Things admits of, and may be looked upon as so much the stronger, by how much the Induction is more general. And if no Exception occur from Phænomena, the Conclusion may be pronounced generally. But if at any time afterwards any Exception shall occur from Experiments, it may then begin to be pronounced with such Exceptions as occur. By this way of Analysis we may proceed from Compounds to Ingredients, and from Motions to the Forces producing them; and in general, from Effects to their Causes, and from particular Causes to more general ones, till the Argument end in the most general. This is the Method of Analysis: And the[Pg 405] Synthesis consists in assuming the Causes discover'd, and establish'd as Principles, and by them explaining the Phænomena proceeding from them, and proving the Explanations." In: Isaac Newton: OPTICKS: OR, A TREATISE OF THE Reflections, Refractions, Inflections and colours OF LIGHT. The FOURTH EDITION, corrected. By Sir ISAAC NEWTON, Knt. LONDON: Printed for WILLIAM INNYS at the West-End of St. Paul's. MDCCXXX (1730). Dort die Seiten 404 und 405.

[4] Theorien der Physik sind oft gut an einfachen Systemen unter gut kontrollierbaren Bedingungen in einem Labor prüfbar. Dass dies nicht automatisch für Systeme aus vielen Teilchen mit vielen Wechselwirkungen gelten muss, das betonte der Physiker und Nobelpreisträger Richard Feynman (1918 bis 1988), als er schrieb: "Wenn ich behaupte, daß sich alle Phänomene der physikalischen Welt mit dieser Theorie erklären lassen, so nehme ich den Mund ewas voll, Bei den meisten uns vertrauten Erscheinungen ist eine so gewaltige Zahl Elektronen im Spiel, daß unser armer kleiner Verstand Mühe hat, dieser Vielfalt zu folgen. In solchen Situationen können wir mit Hilfe der Theorie ungefähr angeben, was passieren sollte und was dann unter diesen Umständen auch in etwa passiert. Stellen wir dagegen im Labor ein Experiment mit nur wenigen Elektronen unter einfachen Bedingungen zusammen, können wir mit großer Genauigkeit berechnen, was eintreten wird und können das mit ebenso großer Genauigkeit messen." In: Richard Feynman: QED: Die seltsame Theorie des Lichts und der Materie. Piper Verlag. 1. Auflage 1992. ISBN: 3-492-21562-9. Dort die Seite 18. Zu speziell diesem Beispiel siehe auch 👉 Quantenelektrodynamik [QED]

[5] Das Zitat im englischen Original: "Our knowledge of the physical world comes from making assumptions about nature, formulating these assumptions into postulates, deriving predictions from those postulates, and testing such predictions against experiment. If experiment does not agree with the prediction, then, presumably, the original assumptions were incorrect." In: Sakurai, J. J. (Jun John): Modern quantum mechanics. Zweite Ausgabe, fertig gestellt von von Jim Napolitano. Addison Wesley. 2010. ISBN: 978-0-8053-8291-4.

[6] Eine Fachzeitschrift bevorzugt empirisch untermauerte Arbeiten: "Evolutionary Psychology is an open access, peer-reviewed journal which focuses on original, empirical research addressing human psychology guided by an evolutionary perspective." Das Journal wird herausgegen von SageJournals. Mehr unter 👉 evolutionäre Psychologie

[7] In der Antike, etwa bei Plinius dem Älteren (23 bis 79), gab es die Vorstellung, dass Straußen alles fressen. In einer englischen Übersetzung heißt es: "A wonder this is of their nature, that whatsoever they eat (and great devourers they bee of all things, without difference and choise) they concoct and digest it." In: Philemon Holland: THE TENTH BOOKE OF THE HISTORIE OF NATVRE, WRITTEN BY C. PLINIVS SECVNDVS. 1601.

[8] Straußen haben Steine in ihren Mägen, die sich bei der Verdauungstätigkeit schnell zerkleinern: "Feeding experiments with farm ostriches showed that bird gastroliths experience fast abrasion in the gizzard and do not develop a polish." In: Wings O, Sander PM. No gastric mill in sauropod dinosaurs: new evidence from analysis of gastrolith mass and function in ostriches. Proc Biol Sci. 2007 Mar 7;274(1610):635-40. doi: 10.1098/rspb.2006.3763. PMID: 17254987; PMCID: PMC2197205.

[9] Eiderenten leben unter anderem an der deutschen Nordseeküste. Sie schlucken dort lebende Muscheln. Irgendwie muss der Magen dann die Schalen der Muscheln knacken. Das geschieht mit Hilfe einer kräftigen Muskulator im Magen selbst. Siehe auch 👉 Eiderente

[10] Albert über Straußen: "De hac [strutio] dicitur quod ferrum comedat et digerat: sed ego non sum hoc expertus quia ferrum saepius a me pluribus strutionibus obiectum comedere noluerunt. Sed ossa magna ad breves partes truncata et arida et lapides avide comederunt." In: Albertus Magnus, De animalibus, lib. 23, tr. 24, cap. 139.

[11] "Sein Bestreben, sich nicht auf Darlegung und Kommentierung von überliefertem Wissen zu beschränken, sondern dieses durch eigene Beobachtungen und Experimente zu hinterfragen und zu ergänzen, zeugt von einem geradezu modern anmutenden Forscherdrang." In: Roland Popp, Birgit Steib: Albertus Magnus – der große Neugierige. Spektrum der Wissenschaft. November 2003. Online: https://www.spektrum.de/magazin/albertus-magnus-der-grosse-neugierige/830312

[12] "Bacon noted that the opening through which the light rays passed did not need to be circular. This phenomenon was the basis of his theory, astonishing in its intuition, that light propagated by means of spherical waves. If the image projected through a square aperture was circular, it was simply because the light had resumed its natural spherical shape." In: Laurent Mannoni: The Great Art of Light and Shadow: Archaeology of the Cinema. University of Exeter Press, 2000. Dort auf Seite 5. Siehe auch 👉 Camera obscura

[13] Johannes Buridanus erkärte um 1330 die Bewegung von Geschossen und schließt seine Argumentation mit einem Verweis auf die tatsächlichen Fakten (Phänomene) der sinnlich wahrnehmbaren Welt: "When a mover sets a body in motion he implants into it a certain impetus, that is, a certain force enabling a body to move in the direction in which the mover starts it, be it upwards, downwards, sidewards, or in a circle. The implanted impetus increases in the same ratio as the velocity. It is because of this impetus that a stone moves on after the thrower has ceased moving it. But because of the resistance of the air (and also because of the gravity of the stone) which strives to move it in the opposite direction to the motion caused by the impetus, the latter will weaken all the time. Therefore the motion of the stone will be gradually slower, and finally the impetus is so diminished or destroyed that the gravity of the stone prevails and moves the stone towards its natural place. In my opinion one can accept this explanation because the other explanations prove to be false whereas all phenomena agree with this one." In: Pedersen, Olaf (26 March 1993). Early physics and astronomy: a historical introduction. CUP Archive. p. 210. ISBN 978-0-521-40899-8. Pedersen gibt als originale Primärquelle an: Johannes Buridanus: Quaestiones super octo libros Physicorum Aristotelis (Vorlesungen an der Universität Paris, ab etwa 1320). Online: https://books.google.nl/books?id=z7M8AAAAIAAJ&pg=PA210&redir_esc=y#v=onepage&q&f=false

[14] Albert Einstein gesteht den Mathematikern zu, dass sie rein logisch und ohne Zwang für eine empirische Prüfung ihrer Erkenntnise arbeiten. Für Physiker aber sei die Prüfung an der empirischen Wirklichkeit entscheidend: "One is ordinarily accustomed to study geometry divorced from any relation between its concepts and experience. There are advantages in isolating that which is purely logical and independent of what is, in principle, incomplete empiricism. This is satisfactory to the pure mathematician. He is satisfied if he can deduce his theorems from axioms correctly, that is, without errors of logic. The question as to whether Euclidean geometry is true or not does not concern him. But for our purpose it is necessary to associate the fundamental concepts of geometry with natural objects; without such an association geometry is worthless for the physicist. The physicist is concerned with the question as to whether the theorems of geometry are true or not." In: Albert Einstein: The Meaning of Relativity. Four Lectures Delivered at Princeton University. May, 1921. Princeton University Press. 1923. Online: https://www.gutenberg.org/cache/epub/36276/pg36276-images.html