Erfolge der Modernen Naturwissenschaften E-Book

Herbert Bruder

• Herausgeber: BoD - Books on Demand
• Kategorie: Wissenschaft und neue Technologien
• Sprache: Deutsch
• Veröffentlichungsjahr: 2024

Seitenzahl: 211

Beschreibung

Das Buch beschreibt die aufregende Reise der Modernen Naturwissenschaften in den vergangenen 200 Jahren. Die Entschlüsselung des Wesens der Natur in der Physik als auch in der Biologie motivierten zahllose Ingenieurleistungen, die unser Leben grundlegend beeinflusst haben. Es ist das menschliche Genie, das in wenigen Jahrzehnten die physikalische Evolution des Universums und die biologische Evolution entschlüsselt hat. Das Buch adressiert den neugierigen Laien ebenso wie Studenten der Naturwissenschaften, die einen Überblick über den eigenen Fachbereich hinaus als Grundlage für ihr naturwissenschaftliches Verständnis anstreben.

Leseprobe

Für meine Frau Conny und meine Kinder Annika, Elena, Corinna, Lucia, Jan

Abstrakt:

Die vitalen und elementaren Grundbedürfnisse des Menschen sind Nahrung, Wasser und Gesundheit. Diese Bedürfnisse waren immer der Motor, um die Annehmlichkeiten des Lebens zu verbessern. Mit der exponentiell zunehmenden Zahl der Weltbevölkerung seit ca. 1800 bedurfte es Innovationen, neuer Technologien und der Optimierung bereits existierender Technologien, um die volkswirtschaftliche Produktivität der gewachsenen Bevölkerungszahl anzupassen. Wir werden sehen: Die Basis dafür haben jeweils die Naturwissenschaften in ihren unterschiedlichen Bereichen gelegt.

In diesem Buch wird der Begriff Naturwissenschaften im Wesentlichen in zwei Bereiche aufgeteilt, nämlich die Biologie und mit ihr die Medizin, und die Physik. Die Physik spielt im Gebäude der Naturwissenschaften eine prominente Rolle, da mittels der physikalischen Naturgesetze viele Grundlagen anderer Naturwissenschaften abgeleitet werden können.

Wir beginnen mit der Medizin. Die Medizin-Diagnostik im 20. Jh. hat - gestützt von Entdeckungen in der Grundlagenphysik - eine rasante Entwicklung erlebt, sodass heute der Blick in das Innere des Menschen eine vertraute Vorgehensweise ist, die aus der sicheren medizinischen Diagnostik nicht mehr wegzudenken ist.

Erste Entdeckungen in der empirischen Strahlenphysik gehen auf den deutschen Physiker William Conrad Röntgen (1845-1923) zurück, dem 1896 die erste Röntgenaufnahme einer Hand gelang. Die sich daraus entwickelnde klassische Röntgentechnologie ist ein 2D Projektionsverfahren.

Aus heutiger Sicht ist die Computer-Tomografie, die 3D Bildgebung des Körperinnern ermöglicht, eine natürliche Weiterführung der 2D Projektions-Methode, indem man messtechnisch kontinuierlich Projektionen aus beliebigen Projektionswinkeln in einem oder mehreren Umläufen des Röhren-Detektor-Systems akquiriert.

Es wurden weitere Diagnose-Verfahren entwickelt, die andere biologische Effekte im Gewebe nutzen, um mit bildgebenden Verfahren und Datenverarbeitung kontrastreiche Darstellungen von menschlichem Gewebe zu ermöglichen.

Abhängig von der klinischen Fragestellung finden die unterschiedlichen Bildgebungsmethoden ihre klinische Anwendung.

In Kapitel 1 werden auch therapeutische Ansätze dargelegt. Kapitel 2 beschäftigt sich vornehmlich mit Entdeckungen im Mikrokosmos auf zellulärer Ebene bis hinab auf die Ebene der Gene, die als Makromoleküle die biologische Information über den Bauplan des Lebens speichern.

In Abschnitt 2.7 findet sich eine ausführliche Betrachtung zum Thema der Biologischen Evolution als Motor des Fortschritts allen Lebens.

Der Physikteil beginnt mit den Methoden der klassischen Physik, der Klassischen Mechanik, der Thermodynamik und der Elektrodynamik. Das sind die Theorien der Physik, die bis zum Ende des 19. Jh. die Physik an ein vermeintlich vollendetes Stadium herangeführt haben.

Doch es gab einige wenige Unstimmigkeiten. Diese wurden im Wechsel zum 20. Jh. aufgespürt. Es wurden zwei fundamental neue physikalische Theorien entwickelt: zum einen die Quantenphysik, die die Welt des Allerkleinsten beschreibt.

Es zeigte sich bald, dass in der mikroskopischen Welt der Elementarteilchen das Wesen der Natur ein anderes ist, als auf makroskopischer Ebene unseres Alltags.

Dort zeigt sich, dass im Allerkleinsten die Materie gequantelt vorliegt. Es wurde die Lichthypothese postuliert, dass selbst Licht aus Quanten, den sogenannten Lichtteilchen (Photonen) besteht.

Nahezu zeitgleich hatte der deutsche Physiker Albert Einstein (1879-1955) zwei Theorien veröffentlicht: die Spezielle Relativitätstheorie (1905) und die Allgemeine Relativitätstheorie (1915), die die kosmischen Dimensionen unseres Universums beschreiben. Sie lehren uns, dass alte zum Teil von Newton postulierte Paradigmen aufgegeben werden müssen, nämlich, dass Zeit, Raum und Masse - bzw. Energieverteilungen nicht absolut sind, sondern miteinander verwoben sind. Die tiefere Ursache für diese Kopplung liegt in der Endlichkeit und Konstanz der Lichtgeschwindigkeit (Nef).

In Kapitel 7 und 8 werden die Themen Mobilität und Energie-Versorgung adressiert, die in der heutigen Zeit viele praktische Probleme aufwerfen. Sie bergen technische, ökonomische und gesellschaftspolitische Herkules-Aufgaben, die die Menschheit in unserem Transformationszeitalter begleiten, wo bewährte Methoden der Mobilität neu überdacht werden müssen. Die Quellen der Energieversorgung müssen in der Zukunft durch natürliche Ressourcen - wie z.B. Wind, Sonne und Wasser - abgedeckt werden.

Inhaltsverzeichnis

Vorwort

1. Medizin

1.1 Medizinische Bildgebung

1.1.1 Klassisches Röntgen, Computertomografie (CT)

1.1.2 Magnet-Resonanz-Tomografie (MR)

1.1.3 Nuklear-Medizin, PET

1.1.4 Ultraschall

1.1.5 Endoskopie

1.2 Medizinische Fortschritte bei der Diagnose und Therapie der häufigsten Erkrankungen

1.2.1 Herz-Kreislauf-Erkrankungen, Schlaganfall

1.2.2 Krebs

1.3 Chirurgie

2. Molekularbiologie, Zellbiologie

2.1 Genetik

2.2 Impfung

2.3 Antibiotika

2.4 Immunbiologie

2.5 Neurobiologie

2.6 Die Genschere CRISPR/Cas

2.7 Die Biologische Evolution als Motor des Fortschritts allen Lebens

2.7.1 Variation und Natürliche Selektion

2.7.2 Beispiele für Mikro-Evolution

3.

Klassische Mechanik

3.1 Himmelsmechanik

3.2 Technische Mechanik (incl. Statik)

3.3 Fluiddynamik

3.4 Bionik

4. Thermodynamik

4.1 Hauptsätze der Thermodynamik

4.2 Wärmekraft-Maschinen

5. Elektrodynamik

5.1 Elektrotechnik

5.2 Moderne Kommunikationssysteme

5.3 Halbleiter

5.4 Computer

5.5 Künstliche Intelligenz

6. Chemie

7. Mobilität

8. Energie – Versorgung

8.1 Energiebedarf

8.2 Den Klimawandel verstehen

8.3 Kernenergie

8.4 Erneuerbare Energien

9. Quantenphysik

9.1 Die Entdeckung der Quantenphysik

a. Schwarzer-Körper-Strahlung

b. Atommodell

9.2 Lokalität und Realismus in der Quantenphysik

9.3 Das Standardmodell der Elementarteilchen-Physik

10. Die Theorie der Relativität

10.1 Die Relativitätstheorien Albert Einsteins

10.2 Moderne Astrophysik

11. Schlussbetrachtungen

Literatur

Vorwort

Zu der Frage `Warum brauchen wir Menschen die Wissenschaften?‘, wollen wir diesem Buch einige ‚Auf dem Marsch für Wissenschaft, Deutschland‘ im Jahre 2017 von einigen Wissenschaftlern vorgetragene Gedanken voranstellen.

Warum braucht die Welt Wissenschaft?

‚Neugier war es, wissen zu wollen, was sich hinter den Bergen verbirgt; Neugier ist es zu verstehen, was sich im kleinsten Kleinen befindet; Neugier ist die Suche nach einer Lösung, wie man schneller von A nach B kommt – Neugier ist die Triebkraft menschlichen Suchens nach Wissen um unser Dasein‘. Prof. Dr. Hans-Ulrich Demuth, Fraunhofer – Institut für Zelltherapie und Immunologie (IZI)

Eine mehr pragmatische Sichtweise im folgenden Zitat: ‚Wissenschaftler/innen werden nicht nur gebraucht, um neue Erkenntnisse zu erlangen, sondern auch, um diese zusammenfassend zu konsolidieren – eine wichtige Voraussetzung, damit etwa die globalen Gemeingüter wie Klima und Landressourcen kooperativ und nachhaltig bewirtschaftet und bewahrt werden können.‘ Prof. Dr. Felix Creutzig, Mercator Research Institute on Global Commons and Climate Change GmbH (MCC)

‚Wer, wenn nicht die Wissenschaftler, sollten die Wahrheit herausfinden und aussprechen? Wem, wenn nicht den Wissenschaftlern, sollte man Glauben schenken?‘ Prof. Dr. Markus Lienkamp, Technische Universität München (TUM)

Dieses Buch soll einen Abriss der bedeutenden Konzepte der Modernen Naturwissenschaften vermitteln und deren Erfolge belegen. Der Schwerpunkt liegt bei der Physik, da sie in den Modernen Naturwissenschaften eine dominante Rolle einnimmt. Oftmals gelingt es erst aus den Erkenntnissen der Physik, Grundlagenentwicklungen in anderen naturwissenschaftlichen Teilgebieten zu erschließen.

So wären beispielsweise die Methoden der Chemie kaum über den experimentellen Status der Alchemie hinausgewachsen, hätten nicht die physikalisch-theoretischen Erkenntnisse der Atom - und Molekülphysik den Zugang zur Theoretischen Chemie eröffnet.

Gleichermaßen hätte die moderne Biologie auf Zellebene bzw. molekularer Ebene nicht ohne die Erkenntnisse der Molekülphysik und der Thermodynamik ihre rasante Entwicklung in der Genetik und der Zellbiologie erfahren.

Ziel der Naturwissenschaften ist es, das Wesen der Natur zu erforschen. Die technische Umsetzung und Nutzung der Erkenntnisse der Naturwissenschaften wird durch die Ingenieurwissenschaften realisiert.

Die Wissenschaftliche Revolution im 16./17. Jh. ist eng gekoppelt mit der Aufklärung. Dort wurden mit dem Gebot des rationalen Denkens den Fortschritt verhindernde Strukturen überwunden. Die Vernunft wurde als absolut universelle Urteilsinstanz anerkannt.

In der Physik hatte dies schon bald zu weitreichenden neuen Erkenntnissen über die Naturgesetze geführt, sodass in der Mitte des 19. Jh. unter vielen Experten die Vermutung aufkam, dass alle Grenzfragen der Physik weitestgehend gelöst und die wesentlichen physikalischen Theorien abgeschlossen seien.

„Schon in wenigen Jahren werden alle fundamentalen physikalischen Konstanten annähernd bestimmt worden sein, und ... die einzige Beschäftigung, die dann den Wissenschaftlern bleibt, wird sein, diese Messungen eine Dezimalstelle weiter zu treiben."

Während wir ins 21. Jh. eintreten und stolz die Bilanz vergangener Errungenschaften ziehen, mag diese Stimmung vertraut klingen. Doch das Zitat stammt aus James Clerk Maxwells (1831-1879) Antrittsvorlesung an der Universität Cambridge im Jahre 1871 und drückt die damals vorherrschende Meinung aus – die der schottische Physiker Maxwell übrigens nicht teilte.

Zu diesem Zeitpunkt beschränkte sich das menschliche Wissen im Wesentlichen auf Hierarchie-Ebenen, die mit den damaligen Instrumenten erforschbar waren. Aus heutiger Sicht ist das Wesen der Natur doch reichhaltiger und wir verstehen die Struktur darüber liegender und darunterliegender Hierarchie-Ebenen sehr viel besser.

Im 19./20. Jh. hat man begonnen, die Natur in vier Hierarchie- Ebenen einzuteilen und zu entschlüsseln. Diese sind:

Der Makrokosmos des Universums

Der Makrokosmos, in dem wir leben

Die Zellstrukturen des Lebendigen, Proteine, Makromoleküle

Der Mikrokosmos der Elementarteilchen (Quantenphysik)

Drei Jahrzehnte nach der Antrittsvorlesung von James Clerk Maxwell, am 14. Dezember 1900, trug der deutsche theoretische Physiker Max Planck (1858-1947) seine Formel für das Strahlungsspektrum schwarzer Körper vor und läutete damit die Revolution der Quantentheorie ein (Teg).

In der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts erlebte die Physik einen bemerkenswerten Umbruch, der gravierende Folgen für das Selbstverständnis der Naturwissenschaften haben sollte. Mit der Begründung der Quantenphysik stellten Max Planck und Albert Einstein fest, dass Energie – besonders auch in Lichtwellen – nur in diskreten Größen vorkommt, also gequantelt ist.

Des Weiteren entwickelte Einstein die spezielle (1905) und die allgemeine Relativitätstheorie (1915), die zu einem neuen Verständnis von Raum, Zeit, Gravitation, Energie und Materie führte.

Eine weitere Umwälzung markiert die in den 1920er und 1930er Jahren begründete Quantenmechanik, die bei der Beschreibung von Objekten auf atomarer Ebene markante Unterschiede zur klassischen Vorstellung der Atome aufweist.

Ausgehend von den grundlegenden physikalischen Prinzipien wird in diesem Buch die Verwertung dieser in der Physik gefundenen Prinzipien in der Entwicklung moderner Technologien des 19. Jh. bis heute aufgezeigt. In vielen Fällen offenbart dies, dass erst durch die Entdeckung neuer Prinzipien der modernen Physik grenzüberschreitende neue Technologien möglich wurden.

Dieser umfassende Anspruch ermöglicht den Zugang zu dem Reich der technologischen Innovationen der vergangenen 200 Jahre, lässt aber zugleich die Limitationen dieses Buches erahnen.

Da das Spektrum der technologischen Entwicklungen in diesem Zeitraum nahezu grenzenlos ist, müssen wir in diesem Buch eine Auswahl treffen.

Freilich haben wir den Versuch unternommen, die prominenten Technologien herauszufiltern. Dennoch muss vieles ungenannt bleiben, allein schon, um die Übersichtlichkeit zu wahren und den Umfang des Buches zu begrenzen. Das Buch erhebt also nicht den Anspruch auf Vollständigkeit. Doch anhand prominenter Beispiele wird demonstriert, welche Macht die Grundlagen der Naturwissenschaften und deren Erkenntnisse über das physikalische Wesen der Natur letztendlich für die Entdeckung und den Fortschritt von Technologien hat, die die moderne Welt erschaffen. Ohne diese Entwicklungen wäre eine menschenwürdige Koexistenz der stetig wachsenden Weltbevölkerung nicht vorstellbar.

Erkenntnisse der Physik münden in der Regel in nutzbare Technologien. Das ist nicht immer der Fall. Beispielsweise liefern die Erkenntnisse in der Kosmologie kaum in Technik umsetzbare Methoden. Dennoch sind auch diese Bereiche der Theoretischen Physik von unschätzbarem Wert für den Erkenntnishorizont der Menschheit.

Ohne die Erkenntnisse der Modernen Kosmologie und der Theorie der Evolution in der Biologie wären unsere Denkhorizonte im Hinblick auf die Entstehung und Struktur des Universums und gleichermaßen die Entstehung und Struktur alles Lebendigen ähnlich begrenzt wie im ausgehenden Mittelalter.

Bis zum Ende des 18. Jh. waren die Erkenntnisse der Physik im Wesentlichen auf die Erkenntnisse der klassischen Mechanik begrenzt. Die klassische Mechanik ist das Teilgebiet der Physik, das die Bewegung von festen, flüssigen oder gasförmigen Körpern unter dem Einfluss von Kräften beschreibt.

Mit den ab Mitte des 19. Jh. gefundenen, atemberaubenden wissenschaftlichen Erkenntnissen hat sich der Bereich, in dem wir Menschen Erfahrungen und Erkenntnisse sammeln konnten, enorm erweitert. Neue Welten haben sich aufgetan.

Am Anfang des 20. Jh. gewinnt die Menschheit mehr Einsicht in die Struktur des Kosmos. Damals glaubte man, das Universum existiere seit ewigen Zeiten und werde auch in ewiger Zukunft existieren. Jenseits der Milchstraße existierten vermeintlich keine fernen Welten.

Grundlegend sind die Arbeiten des deutschen Physikers Albert Einstein zur Geometrie und Dynamik von Raum und Zeit, die in die zwei von ihm entwickelten Relativitätstheorien mündeten: die Spezielle Relativitätstheorie (1905) und die Allgemeine Relativitätstheorie (1915).

Gleichzeitig befeuerte die Entwicklung hochwertiger Teleskope weitere Erkenntnisse auf diesem Gebiet. Das öffnete die Tür des Makrokosmos des Universums mit Sternen und Galaxien.

Die nächste Hierarchiestufe ist die unserer alltäglichen Erfahrungswelt, in der wir leben. Dort wurden und werden - basierend auf den Theorien der Modernen Naturwissenschaften - viele Technologien entwickelt, die uns das Zusammenleben ermöglichen und erleichtern: es wird die Nahrungsmittelversorgung, Mobilität, und als Grundlage von allem die Energieversorgung gesichert.

Die eingangs auf Muskelkraft beruhenden Methoden wurden zusehends durch Maschinen aller Art ersetzt. Automaten übernehmen ganze Prozessketten. Die Digitalisierung schließlich öffnet den Weg zur Programmierung von Fertigungsstraßen, Entwicklung neuer Kommunikationstechnologien, Revolution in der Medizin, insbesondere in der Medizin-Diagnose und vieles mehr.

Seit ca. 120 Jahren wird ein zweites, unbekanntes Universum erforscht, das Universum des Mikrokosmos, das die Grundbausteine alles Lebendigen enthüllt, vornehmlich die Struktur der eukaryotischen Zelle, der Basiseinheit aller mehrzelligen lebenden Systeme wie Pflanzen, Tiere und Mensch.

Diese Grundbausteine enthalten alles für das Leben Notwendige, im Besonderen die Informationsmoleküle wie die DNA und die Proteine. Diese Bausteine des Lebens sind universal, also die Gleichen für alle Lebewesen, und enthalten die für nahezu alle Lebewesen gleichen Baupläne des Lebens, den genetischen Code und den Protein Code.

Schließlich wurde zu Beginn des 20. Jh. eine weitere Hierarchieebene - wiederum ein neues Universum – entdeckt: der Mikrokosmos der Elementarteilchen, die das Fundament aller Materie darstellen.

Diese Entdeckung war die Geburtsstunde der Quantenphysik als eine der Säulen der Theoretischen Physik. Sie benennt die physikalischen Regeln in der Welt der Quanten, und doch hat sie immensen Einfluss auf die modernen Technologien des 20. und 21. Jh.

In der Mitte des 19. Jh. wurden weitere Fundamente der modernen Physik geschaffen. James C. Maxwell entwickelte die sogenannten Maxwell-Gleichungen der klassischen Elektrodynamik, die vollständig alle elektromagnetischen Phänomene, die im Universum geschehen können, beschreibt.

Unter anderem enthüllten diese Gleichungen die elektromagnetische Natur des sichtbaren Lichtes und aller anderen Arten von Licht, wie das Röntgenlicht, die Radiowellen usw. Im 20. Jh. eröffnete dies beispielsweise den Weg für moderne Kommunikationssysteme.

Weiterhin basiert jede Form von Elektrizität auf der Theorie des Elektromagnetismus und kann somit mit den Maxwell`schen Gleichungen in einen mathematischen Rahmen gefasst werden.

Schließlich erbrachte auf dem Gebiet der Thermodynamik Nicolas Léonard Sadi Carnot (1796-1832), ein französischer Physiker und Ingenieur, zahlreiche Beiträge zu Erkenntnissen im Hinblick auf Gase, Flüssigkeiten usw., was die Geburtsstunde der modernen Thermodynamik bedeutete.

Heute wird diese Theorie jedoch mit Methoden der Statistischen Physik begründet. Beispielsweise förderte die Thermodynamik die Entwicklung von Wärmekraftmaschinen; darunter zählt auch der Verbrennungsmotor, der die Mobilität entscheidend beeinflusst hat.

So wurde ein Bündel von fundamentalen Theorien geschaffen, die vertrauenswürdige Werkzeuge für die Moderne Physik bereitstellen, um die Phänomene in unserem Universum zu analysieren und das Wesen der Natur zu enthüllen. Sie verhelfen zu einem besseren Verständnis des Zusammenwirkens der Naturgesetze in komplexen Systemen.

Damit ist es gelungen, das Wesen der Natur und die Gesetzmäßigkeiten zumindest soweit zu entschlüsseln, dass dieses Wissen erfinderisch in eine Vielzahl von Technologien umgesetzt werden konnte, die die Interaktionen der Menschen entscheidend gefördert haben. Eine Vielzahl von Erfindungen sind nicht alleine Verbesserungen bereits bestehender Technologien, sondern erschaffen Innovationen, die zuvor jenseits unseres Denkhorizonts lagen.

Die Liste derartiger Innovationen ist groß. Als Beispiel sei die Entdeckung der Elektrizität genannt, die den automatisierten Betrieb von Maschinen, Transportfahrzeugen und die moderne Kommunikation ermöglicht. Damit hat sich der Aktionsradius des Menschen im Hinblick auf räumliche Entfernungen deutlich vergrößert, und zeitliche Distanzen wurden deutlich verringert. Begrenzungen, die durch den natürlichen Tag-Nacht Rhythmus vorgegeben sind, konnten so überwunden werden.

Die Naturwissenschaften sind evidenz-basiert, d.h. sie beruhen auf reproduzierbaren und mathematisch erfassbaren Gesetzmäßigkeiten. Die beschreibende Mathematik wiederum basiert auf Axiomen der Logik. Da die für uns wahrnehmbare Welt auf Gesetzen der Logik beruht, gelingt es also, diese Gesetzmäßigkeiten zu erfassen und daraus technische Konstrukte abzuleiten, die es ermöglichen, die Natur unter Kontrolle zu bringen, und daher für den Menschen nutzbar zu machen.

Die mathematischen Fundamente für die Theorien der Physik im 19./20. Jh. wurden zum Teil schon unabhängig früher entwickelt. Beispielsweise entfacht die in Anfängen schon von Sir Isaac Newton entwickelte Mathematik der Differentialrechnung ihre Mächtigkeit in einer Vielzahl von Teilgebieten der Physik, die zum Teil erst Mitte des 19. Jh. begründet wurden.

Ein weiteres prominentes Beispiel ist die Entwicklung der Allgemeinen Relativitätstheorie durch Albert Einstein. Er verfügte nicht über die für die Allgemeine Relativitätstheorie erforderlichen mathematischen Fertigkeiten. Glücklicherweise hatte der deutsche Mathematiker Bernard Riemann (1826-1866) - ohne dass die Bedeutung seiner Arbeiten in der Öffentlichkeit wahrgenommen wurde - ein halbes Jahrhundert vor den Arbeiten von Albert Einstein, seine Ideen zur ‚Riemann`schen Geometrie‘, d. h. der Differentialgeometrie in beliebig vielen Dimensionen mit lokal definierter Metrik, ausgearbeitet. Das war genau das, was zur mathematischen Formulierung der Allgemeinen Relativitätstheorie erforderlich war.

In diesem Buch werden wir nur selten Projektionen wissenschaftlicher Innovationen, beziehungsweise wissenschaftlicher Theorien in die Zukunft vornehmen. Denn, wie zum Beispiel die Entwicklungen und Fortschritte in der Digitaltechnik unserer Zeit zeigen, können derartige Projektionen in die Zukunft sehr unsicher sein.

Das liegt in der Natur der Sache, denn Entdeckung von Unerforschtem ist in der Regel eben nicht vorhersehbar. Das war besonders in den vergangenen zwei Jahrhunderten richtig, da oftmals unbekannte Gesetzmäßigkeiten der Natur entschlüsselt werden mussten. Erst dann konnten Technologien entwickelt werden, um diese Gesetzmäßigkeiten nutzbar zu machen.

Diese Technologien wiederum öffnen die Tür zu neuen Fragestellungen. Ein prominentes Beispiel liefert die Genetik, die zu Beginn des 21. Jh. auf Basis moderner Sequenzierungstechniken die vollständige Entschlüsselung des menschlichen Erbguts ermöglichte.

Nachdem dies gelungen war, ist heute das Tor zu dem geradezu unerschöpflichen Feld an Fragestellungen hinsichtlich Funktion, Wirkungsweise und Vernetzung von kooperierenden Genen aufgestoßen, um beispielsweise Aufschluss über genetisch bedingte Erkrankungen zu finden.

Natürlich gibt es auch bekannte Fragestellungen, die der Zukunft gewidmet sind. In diesem Fall kann man gezielt Techniken und Apparaturen entwickeln, um Antworten zu finden.

Für andere Technologien mag es sein, dass die Weiterentwicklung überschaubar ist und Grenzen erreicht. Das wird immer dann der Fall sein, wenn eine Technologie den Punkt erreicht hat, an dem sie die mit ihr verbundenen Fragestellungen in einem Wissensgebiet weitgehend beantwortet, und technische Systeme bis zum technologischen und physikalischen Optimum entwickelt wurden.

Was sind die Methoden der Naturwissenschaft?

Zunächst sei darauf hingewiesen, dass das Wort Theorie in den Naturwissenschaften eine andere Bedeutung hat, als es landläufig verwendet wird. Der Laie verwendet das Wort Theorie, um kundzutun, dass ein Sachverhalt richtig, aber auch falsch sein könnte und noch nichts bewiesen ist. Im Gegensatz dazu umfasst im wissenschaftlichen Sinne das Wort Theorie ein System aus vielen bestätigten, allgemein anerkannten und unter sich widerspruchsfreien Aussagen.

Sie baut auf Postulaten (Grundsätzen) und Axiomen auf. Postulate und Axiome können in der Regel nicht durch ein weiteres Prinzip abgeleitet werden.

Im Gegensatz zur Mathematik können Aussagen, Gesetze oder Theorien in der Naturwissenschaft nicht endgültig bewiesen werden. Im Falle eines positiven Tests spricht man von einem Nachweis. Eine Aussage der Theorie kann jederzeit widerlegt werden (Falsifikation), wenn neue Forschungsergebnisse entsprechende Resultate vorweisen können.

Unter der Verifizierung einer Theorie versteht man, wenn diese durch viele Befunde untermauert werden kann, und keine Belege für das Gegenteil existieren. Eine Verifizierbarkeit ist zuweilen schwer nachweisbar, z. B. wenn schlicht nicht alle Befunde vorliegen.

An dieser Stelle sei vermerkt, dass die Autoren der Grafiken in diesem Buch in keiner Weise mit den in diesem Buch gemachten thematischen Aussagen in Verbindung stehen.