1.2 Arbeitsweise der Physik

1.2.1 Naturwissenschaftliche Methode

Physikerinnen und Physiker beobachten zunächst die Natur oder den Ausgang von Experimenten. Mit Hilfe dieser Beobachtungen und Messungen versuchen sie ein (meist aus mathematischen Formeln bestehendes) Modell der Natur zu formulieren (Hypothese). Mit diesen Modellen wird versucht den Ausgang von neuen Experimenten vorherzusagen. Zeigt sich die Vorhersage bei der Durchführung des Experiments, wird das Modell bestätigt. Widerspricht die Vorhersage dem Ausgang des Experiments, muss das Modell verbessert, erweitert oder manchmal sogar durch ein neues Modell ersetzt werden. Sehr erfolgreiche Modelle werden schließlich zu physikalischen Gesetzen (Naturgesetzen). Diese Art zu Erkenntnissen zu kommen, wird naturwissenschaftliche Methode (engl. scientific method) genannt. Als Begründer gilt Galileo Galilei, der sie um 1600 bei seinen Forschungen verwendete. Bis heute findet der Erkenntnisgewinn in der Physik nach dieser Methode statt.

1.2.2 Gedankenexperimente

Bei der Entwicklung von neuen Modellen oder zur Widerlegung von bestehenden Modellen verwenden Physikerinnen und Physiker am Anfang oft sogenannte Gedankenexperimente (engl. thought experiment), also „Was wäre, wenn“ Überlegungen im Kopf.

Hier ein Beispiel: Das Bild 1.3 zeigt Galileis Gedankenexperiment zu frei fallenden Körpern. Angenommen, du hast zwei Körper, einer leichter (1) als der andere (2). Angenommen, der schwerere Körper fällt schneller. Wenn du den leichteren Körper jetzt unter den schwereren Körper (3) legst, sollte der leichtere Körper den Fall des schwereren Körpers verlangsamen. Wenn du andererseits aber beide Körper zusammenklebst, entsteht ein noch schwereren Körper (3), der noch schneller fallen sollte als (1) und (2). Der Widerspruch beweist (durch reductio ad absurdum), dass die Annahme falsch sein muss.

Gedankenexperiment: Frei fallende Körper

Bild 1.3: Gedankenexperiment: Frei fallende Körper

Führt ein Gedankenexperiment zu einem neuen Modell, muss es natürlich durch reale Experimente überprüft werden.

1.2.3 Mathematische Lehrsätze und physikalische Gesetze

Physikalische Gesetze (engl. physical law) und mathematische Lehrsätze (engl. mathematical theorem) unterscheiden sich grundlegend.

Ein mathematisches Gesetz, wie zum Beispiel der Lehrsatz des Pythagoras, braucht nur ein einziges Mal bewiesen (Bild 1.4) zu werden und ist damit für alle Zeiten gültig.

Lehrsatz des Pythagoras – ein Beweis

Bild 1.4: Lehrsatz des Pythagoras – ein Beweis

Lassen sich für ein physikalisches Modell über viele Jahre keine Experimente finden, die das Modell widerlegen, wird daraus ein _physikalisches „Gesetz“._ Ein physikalisches Gesetz kann aber nie endgültig bewiesen werden! Der Philosoph Karl Popper (Bild 1.5) bezeichnet dieses Prinzip als empirische Falsifikation.

Karl Popper

Bild 1.5: Karl Popper