Über das Verhältnis von Wissenschaft und Technik

Wissenschaftler werden oft mit der Frage konfrontiert, welche Bedeutung ihre Erkenntnisse denn für die Anwendung haben. Die Reaktionen darauf sind sehr unterschiedlich, zum Teil ist man erfreut, wenn man sich ohnehin für die anwendungsnahe Forschung entschieden hat, zum Teil unwillig, wenn man eine solche Frage für völlig deplatziert hält. Die Frage führt aber immer wieder zu Diskussionen, manche Vertreter der Industrie wünschen, dass die Universitäten vermehrt anwendungsnahe Forschung fördern, einige Professoren würden darin allerdings einen Verrat an den Zielen einer wissenschaftlichen Einrichtung sehen. Es kann aber keiner leugnen, dass wir unseren heutigen hohen technischen Stand und damit unseren vergleichsweise angenehmen Lebensstandard der Wissenschaft verdanken, die ja nun vorwiegend an den Universitäten gepflegt und weiter entwickelt wird.

Die Frage nach dem Nutzen ist auch gar nicht so unehrenhaft, wie man als Grundlagenforscher manchmal glaubt. Sie steht am Anfang der Wissenschaft überhaupt und hat vielleicht sogar bewirkt, dass sich die "Neue Wissenschaft", wie Galilei sie bald nannte, gegen alle Anfeindungen und Verbote der Kirchen durchsetzen konnte. "Wissen ist Macht" soll Francis Bacon schon 1597 gesagt und als Ziel der Wissenschaft praktische Nutzanwendungen und die Beherrschung der Natur verkündet haben. Allerdings blieben diese Früchte zunächst aus, mit der Newtonschen Mechanik lernte man erst den Lauf der Planeten und Kometen zu verstehen. Das war aber beeindruckend genug, um die Hoffnungen auf die Beherrschung der Natur und Besserung der Lebensumstände wach zu halten und um all die Diskussionen um die Vereinbarkeit der neuen Sicht auf die Welt mit dem Glauben durchzustehen. Erst mit der Weiterentwicklung der Newtonschen Mechanik im 18. Jahrhundert durch Euler und Lagrange, die ihre Anwendung auf alltägliche Phänomene möglich machte, und mit der allmählich einsetzenden Beherrschung elektrischer und magnetischer Effekte konnten die Erwartungen hinsichtlich praktischer Nutzanwendung erfüllt werden. Das Szenarium, dass nützliche Anwendungen naturwissenschaftlicher Forschung erwartet und in Aussicht gestellt, zunächst aber nicht realisiert werden können, ist also so alt wie die Naturwissenschaft selbst.

Wie ist denn nun das Verhältnis von Wissenschaft und Technik in den vergangen vier Jahrhunderten gewesen? Natürlich haben sie sich stets gegenseitig beeinflusst, und es gab diesen Einfluss in jeder Form und in jede Richtung. So wie eine Nahrungs- und Wertschöpfungskette gibt es auch eine Kette von Wissensgenerierung und -verarbeitung, angefangen von der Grundlagenforschung über die Anwendung in der Industrie bis hin zu modernen Werkzeugen für den Alltag, und auf dieser Kette geht der Transfer von Ideen und Informationen hin und her. Das wird heute allgemein so gesehen; es ist aber auch aufschlussreich, wenn man die Geschichte der Wissenschaft im Hinblick auf eine solche wechselseitige Beeinflussung von Grundlagenforschung und Technik befragt. Ich will deshalb einige konkrete Beispiele aus der Physik anführen.

Grundlagenforschung inspiriert zu technischen Erfindungen

Grundlagenforscher beantworten ihnen lästige Fragen nach dem Nutzen oft damit, dass eine rein auf Erkenntnisgewinnung gerichtete Forschung letztlich auch immer irgendwann zu sinnvollen Anwendungen führt, dass man diese aber nie vorhersehen kann. Dafür gibt es in der Tat viele Beispiele:

Zu Beginn des 19. Jahrhunderts hatte man für elektrische und für magnetische Effekte noch ganz unterschiedliche Erklärungen. Vom Gedankengut der Romantik stark beeinflusst, schwärmte aber der dänische Physiker Hans Christian Oersted von der Einheit der Natur und suchte deshalb einen Zusammenhang zwischen Elektrizität und Magnetismus. Im Jahre 1820 konnte er tatsächlich zeigen, dass ein vom Strom durchflossener Leiter ein Magnetfeld erzeugt. Diese Entdeckung leitet nicht nur die Entwicklung einer einheitlichen Theorie der elektrischen und magnetischen Phänomene ein, sondern führte auch bald zur Erfindung des Telegrafen. Denn man lernte bald, dass das Magnetfeld sehr viel stärker wurde, wenn man den Stromleiter zu einer Spule aufwickelte und in die Spule noch einen Eisenstab steckte und kam auch bald darauf, dass man die Zuleitungen zu der Spule beliebig verlängern konnte. So hatte man bald so etwas wie eine Klingel konstruiert und somit auch eine Vorrichtung, mit der man zu weit entfernten Stellen Signale senden konnte. Joseph Henry, der in den Vereinigten Staaten solch ein Gerät konstruiert hatte und damit herum experimentierte, dachte aber gar nicht an irgendwelche Anwendungen, dafür war er zu sehr Wissenschaftler. Das ungeheure Anwendungspotential einer solchen Vorrichtung erkannte erst Samuel Morse, als er 1832 auf einer Schiffsreise von einem solchen Gerät hörte, und fünf Jahre später konnte er schon seinen ersten Schreibtelegrafen vorführen. Das Gerät erwies sich als so nützlich, dass man schon in den folgenden 50er Jahren damit begann, Telegrafen über Seekabel von Dover bis Calais und schließlich auch von Irland nach Neufundland zu verbinden.

Ein weiteres Beispiel dafür, wie ein Streben nach reiner Erkenntnis letztlich zu bedeutenden Anwendungen führt, bietet die Entdeckung der elektromagnetischen Wellen. Heinrich Hertz, von Hermann von Helmholtz in die Suche nach einer vereinheitlichten Theorie des Elektromagnetismus eingeführt, hatte sich schon für die Maxwellsche Version einer solchen Theorie erwärmt, als man auf dem europäischen Festland noch die konkurrierende Fernwirkungstheorie von Gauß und Weber favorisierte. Ein wesentlicher Unterschied zwischen den beiden Theorien bestand darin, dass die Maxwellsche Theorie die Existenz von elektromagnetischen Wellen voraussagte. Heinrich Hertz sah, dass dieses zu einer Entscheidung führen musste, und machte sich daran, nach einem Nachweis für die Existenz elektromagnetischer Wellen zu suchen. Im November 1886 konnte er tatsächlich die Übertragung von elektromagnetischen Wellen über einen Abstand von 1,5 m von einem primären auf einen sekundären Stromkreis demonstrieren. Das war der Durchbruch für die Maxwellsche Theorie. Leider überlebte er seine große Entdeckung nur sechs Jahre, so erfuhr er nie, welche Folgen diese auch in technischer Hinsicht hatte. Schon 1896 begann man mit Versuchen, Funkverbindungen über große Strecken aufzubauen, zunächst zwischen zwei Gebäuden, dann über den Ärmelkanal, im Jahre 1901 schon über den Atlantik, und heute nutzen wir Funkverbindungen wie selbstverständlich durch Radiogeräte, Radar, Fernsehen und mobile Telefone.

Das sind zwei Beispiele, bei denen eine rein auf Erkenntnis zielende Forschung relativ schnell zu technischen Anwendungen führte. Ein Beispiel, in dem dieses etwas länger gedauert hat, gibt die Entwicklung der Relativitätstheorien her. Als Albert Einstein diese am Anfang des letzen Jahrhunderts entwickelte, dachte kein Mensch daran, dass die neue Sicht auf die Begriffe von Raum und Zeit, die damit einherging, irgendeinen Einfluss auf unsere menschliches Leben haben könnte. Dazu waren die relativen Geschwindigkeiten wie auch die Gravitationsfelder, die von Menschen erfahrbar sind, wohl zu klein, und deshalb schienen die vorhergesagten Effekte vollkommen vernachlässigbar zu sein. Bei der Entwicklung der Navigationsgeräte, die heute fast jeder im Auto benutzt, musste man aber feststellen, dass man die Effekte der Zeitdilatation bzw. Zeitdehnung gemäß beider Relativitätstheorien berücksichtigen muss, um eine genügende Genauigkeit zu erreichen. So hat es bei diesen Theorien immerhin etwa 80 Jahre gedauert, bis sich eine technische Anwendung von solcher Tragweite ergeben hat.

Technischen Erfindungen inspirieren zur Grundlagenforschung

Waren dieses drei Beispiele dafür, dass aus der Grundlagenforschung unbeabsichtigt auch immer etwas ganz Bedeutendes für die Technik heraus springen kann, möchte ich jetzt von einem Fall erzählen, bei dem es genau umgekehrt war: Man wollte ein technisches Problem lösen und entdeckte eine grundlegende Frage, die große Bedeutung für die Weiterentwicklung einer ganzen physikalischen Disziplin hatte. Dieses technische Problem war die Verbesserung der Dampfmaschine. Der französische Ingenieur Sadi Carnot beschrieb im Jahre 1824 in seinem Werk "Über die bewegende Kraft des Feuers" sehr deutlich, wie positiv die Dampfmaschine auf die wirtschaftliche Entwicklung Englands gewirkt hat. Er musste aber auch feststellen, dass „ihre Theorie doch sehr wenig fortgeschritten" ist und dass „die Versuche zu ihrer Verbesserung fast nur von Zufall geleitet" sind. Es ging dabei um die Frage, wie effizient man durch Dampf Bewegung erzeugen, also Wärme in Arbeit umwandeln kann. Carnot war ein ungewöhnlich analytisch denkender Kopf und wollte diese Frage prinzipiell klären, er wollte nicht nur den Wirkungsgrad irgendwie verbessern, sondern grundsätzlich wissen, wie ein Maximum an Arbeit aus Wärme zu gewinnen ist und wie groß dieses Maximum ist. Er machte sich daran, den Prozess bei einer Wärmekraftmaschine in physikalisch wohl definierbare, überschaubare aber abstrakte Einzelprozesse zu zerlegen. Das führte ihn zu dem Begriff eines reversiblen thermodynamischen Prozesses, einem Idealfall, der in Realität nur angenähert erreicht werden kann, der aber zum Schlüssel für den zentralen Begriff der Thermodynamik und der späteren Statistischen Mechanik, nämlich der Entropie, wurde. Hier wird besonders gut deutlich, wie erst grundlegendere Fragen gelöst werden müssen, ehe man in der Praxis zu Fortschritten kommt, wie verdienstvoll aber auch Fragen aus der Praxis an die Grundlagenforschung sein können.

Geplante Forschung und geplante Erfindungen

So geht also die Beeinflussung in beide Richtungen, bedeutsame Fragen können überall aufgeworfen werden und die Bedeutung von Erkenntnissen kann nie vorher gesehen werden. Das heißt nun aber auch nicht, dass man Forschung überhaupt nicht planen kann. Manche Forschungsrichtungen können heute nur unter größten kollektiven Anstrengungen intellektueller, logistischer wie finanzieller Art weiter entwickelt werden; Großforschungsinstitute wie das CERN zeugen davon und demonstrieren, dass auch so fruchtbare Forschung gedeiht.

Das führt zu einer weiteren wichtigen Art der Beeinflussung. Es gibt im Rahmen der Forschung und Entdeckungen auch ein ganz bedeutsames "Insichgeschäft", d.h. neue technische Geräte werden oft zur Förderung der Wissenschaft entwickelt, sie können die entscheidenden Hilfsmittel für wissenschaftliche Erkenntnisse sein. Diese sind dann aber auch oft im Alltag, außerhalb der Wissenschaft, sehr nützlich. Am CERN benötigte man, um die Arbeit so vieler Wissenschaftler an einer gemeinsamen Aufgabe organisieren zu können, eine Vernetzung der Rechner, daraus entstand das Internet. Wie dieses Kommunikationsmittel heute unser Leben durchdringt, muss man nicht beschreiben. Auch die vielen Geräte der Medizintechnik, die Spektrographen, Tomographen, die Bildverarbeitungsmethoden sind aus der medizinischen Forschung gar nicht mehr weg zu denken, und als Patienten profitieren wir auch davon. Sogar Nobelpreise in Physik und Chemie sind für technische Entwicklungen, die eine wissenschaftliche Disziplin entscheidend vorangebracht haben, vergeben worden, z.B. 1992 an den französischen Physiker G. Charpak, der besonders effiziente Nachweisgeräte für Elementarteilchen entwickelt hatte. Mit dem Rastertunnelmikroskop, von Binning und Rohrer entwickelt und 1986 mit dem Nobelpreis gewürdigt, werden unzählige Erkenntnisse über Materialien und deren Oberflächenstruktur gewonnen. Das prominenteste Beispiel solch eines entscheidenden Voranbringens eines Gebietes durch ein technisches Hilfsmittel steht sogar am Anfang der modernen Naturwissenschaft überhaupt. Galilei benutzte das Fernrohr, um dem kopernikanischen Weltbild zum Durchbruch zu verhelfen. Er erkannte die Bedeutung dieses Hilfsmittels, brachte es bald zur Meisterschaft in der Herstellung solcher Geräte, beobachtete damit die Berge auf dem Mond, die Phasen der Venus, die Monde des Jupiters und die Sonnenflecken. Aus alledem erkannte er, dass die Erde nicht der zentrale Ort in der Welt ist, sondern nur einer von vielen Planeten, die um die Sonne kreisen wie die Jupitermonde um den Jupiter und er legte damit die Basis für die Newtonsche Mechanik. Ohne Fernrohr hätte Galilei nicht die Macht der Tatsachen auf seiner Seite gesehen, hätte man damals das Planetensystem des Kopernikus weiterhin als eine akademische Hypothese abtun können.

Kurz und gut:

Das Pflücken von den Bäumen der Erkenntnis ist eher ein evolutiver Prozess. Neue Vorstellungen und Gedanken entsprechen dabei Mutationen kultureller "Gene", auch manchmal "Meme" genannt. Und wie bei den biologischen Mutationen passieren diese spontan, Zeit und Ort kann man nicht vorhersagen. Wohl kann man durch Herstellen bestimmter äußerer Verhältnisse die "Mutationsrate" erhöhen: es gibt anregende Atmosphären, stimulierende Kollegenkreise, goldene Zeitalter von Kulturkreisen, in denen viele begabte Wissenschaftler sich gegenseitig intellektuell befruchten und so zu einer Größe aufwachsen, die sie sonst vielleicht nicht erreicht hätten. Auch der zweite wichtige Prozess der Evolution, die Selektion, spielt offensichtlich in der kulturellen Entwicklung eine große Rolle. Viele Ideen setzen sich nicht durch; das ist auch abhängig von der kulturellen Umwelt, so kann eine neue Idee z.B. zu früh kommen.

Was kann man daraus lernen: Nun, sich möglichst in Bereiche höherer kultureller Mutationsraten zu begeben und, wenn man es kann, dafür sorgen, dass es solche Bereiche gibt.

Veröffentlicht von

Josef Honerkamp war mehr als 30 Jahre als Professor für Theoretische Physik tätig, zunächst an der Universität Bonn, dann viele Jahre an der Universität Freiburg. Er hat er auf den Gebieten Quantenfeldtheorie, Statistische Mechanik und Stochastische Dynamische Systeme gearbeitet und ist Autor mehrerer Lehr- und Sachbücher. Nach seiner Emeritierung im Jahre 2006 möchte er sich noch mehr dem interdisziplinären Gespräch widmen. Er interessiert sich insbesondere für das jeweilige Selbstverständnis einer Wissenschaft, für ihre Methoden sowie für ihre grundsätzlichen Ausgangspunkte und Fragestellungen und kann berichten, zu welchen Ansichten ein Physiker angesichts der Entwicklung seines Faches gelangt. Insgesamt versteht er sich heute als Physiker und "wirklich freier Schriftsteller".

Kommentare Schreibe einen Kommentar

  1. als ein Beispiel…

    … für die interessante Wechselwirkung zw. “reiner” Wissenschaft und “Anwendung” fällt mir geraqde Heaviside ein. Seine Erfindungen sind bis jetzt(?halb geraten?) unverzichtbar für die Telekommunikation, u.a. dafür, dass dieser Text durchs Netz wandert, ohne die von ihm entwickelte Vektorrechnung sind viele spätere Anwendungen (auch didaktische) der Physik kaum denkbar, seine “algebraische” Behandlung von Differentialgleichungen hat auch weiteste Auswirkungen (z.B. dies führte zu diesem Durchbruch).

    Über “kulturelle Mutationen” (erinnert mich an Bertaux’ “Mutationen der Menschheit”) hier ein fr. blog.

  2. Heaviside

    Die Vektorrechnung hat er sicher nicht erfunden (die wird doch Graßmann zugeschrieben), eher vielleicht die Vektoranalysis, also rot, grad, div.

  3. Evolution allüberall

    …, mit der Newtonschen Mechanik lernte man erst den Lauf der Planeten und Kometen zu verstehen.
    Etwas wirklich zu verstehen hat einen immensen Nutzen – für den, der dadurch aufgeklärt wird und andere aufklären kann. Vergessen wir nicht, dass Menschen schon in der vorwissenschaftlichen Zeit ihre Welt verstehen wollten. Die Genesis der Bibel will dem Gläubigen den Ursprung der Welt und damit auch die Ursache für die Existenz des die Bibel Lesenden und an die Bibel Glaubenden erschliessen. Analog dazu erhofft sich derjenige, der sich die Netwon’sche Mechanik aneignet, die Ursache aller Bewegung und aller Kräfte erklären zu können.

    So wie eine Nahrungs- und Wertschöpfungskette gibt es auch eine Kette von Wissensgenerierung und -verarbeitung, angefangen von der Grundlagenforschung über die Anwendung in der Industrie bis hin zu modernen Werkzeugen für den Alltag, und auf dieser Kette geht der Transfer von Ideen und Informationen hin und her.
    Forschen, Erfinden, Anwenden, Reparieren, Verbessern und Überdenken befruchten sich gegenseitig und über die Menschen, die sich in derartigen Tätigkeiten zu einem gemeinsamen Thema üben, bildet sich eine Art Lebensgemeinschaft, die ihre eigene Standards, ihre eigene Logik und die dazugehörigen Schrulligkeiten entwickelt. In der Aufbauphase kommt es zu fruchtbarem Austausch zwischen Wissenschaftlern, Technikern und Anwendern, dann stabilisiert sich das Biotop, das sich rund um die ursprünglichen Erkenntnisse gebildet hat und auch eine Stagnation ist nicht ungewöhnlich – bis zu einem Paradigmenwechsel. In diesem Spiel gibt es oft mehr als zwei Ebenen, also nicht nur Wissenschaftler und Techniker, sondern auch die Kultur, Stadt oder Infrastruktur, in die die ursprünglichen Erkenntnisse einfliessen.
    Nehmen wir als Beispiel die Eisenbahn, die durch die Dampfmaschine möglich wurde. Nach einer stark expansiven Phase mit viel technischer Innovation, bildeten sich Normen aus (wie eine bestimmte Schienenbreite, Signale, etc.) und schliesslich stagnierte die weitere Entwicklung, was mit ein Grund ist, dass Hochgeschwindigkeitsbahnen in den USA ein schwieriges Umfeld vorfinden, während sie sich in China auf einem Siegeszug befinden.
    Es ist tatsächlich nicht schwierig gewisse Parallelen zu evolutivem Geschehen zu ziehen.

  4. @tk: stimmt!

    Wie üblich, war die geschichte komplizierter. Bei der Gelegenheit eine Frage: Was ist eigentlich aus Graßmanns Ausdehnungslehre geworden, ist die komplett in der linearen Algebra enthalten?

  5. Kategorienfehler

    Wissenschaft und Technik stehen nicht in einem scheinbaren Verhältnis sondern sind zewi Seiten einer Medaille. Das ist auch das einzige was mir am Text missfällt. CERN ist nichts anderes als technisch-wissenschaftliches Experiment, wenn dann eher ein technisches, bedenkt man wieviel High Tech bei dieser Versuchapparatur vorrausgesetzt wird für die Klärung der “Grundlagenforschungsfragen”.

    Wissenschaft und Technik ist ein selbstreferentielles System. Allein die Komplexität, Genauigkeit und Reproduzierbarkeit unser erfundenen Techniken sind ein Gradmesser für das menschl. Verständnis der Natur. Je weiter unsere Technik voranschreitet, desto besser werden unserere techn. Messaparate, desto genauer die Beobachtungsmöglichkeiten, desto tiefer überhaupt erst ein Eindringen in tiefere nächste reduktionistische Ebene möglich. Ein Wissenschaftler der nicht die technische Möglichkeiten neuer grundlegender Erkenntnisse evaluiert bewegt sich im Kreis wenn nicht sogar in eine Sackgasse. Patente werden daher ja meist von Doktoranden, Dr, Profs in den Forschungsgebieten direkt angemeldet, genaure Detailentwicklungen dann eher von Ingenieuren in der Industrie.
    Zudem wird meist bei der Implentierung von Techniken erst ersichtlich wo die Gültigkeitsgrenzen bestimmter neuer Theorien liegen und Interdepentenzen mit Nachbartheorien oder verborgene Variablen übersehen worden und die Technik zusammenbricht. Genaue mächtige Techniken und Falsifikation sind die einzigen Methoden die wir für die Verbesserung und Erweiterung unseres Naturverständnis besitzen.

  6. Carnot-Kreisprozess

    Interessant finde ich, dass der Carnot- Kreisprozess, obwohl er von der falschen Annahme einer Wärmesubstanz ausging, ein wichtiger Erkenntnisgewinn für den maximalen Wirkungsgrad von Maschinen war. Man sieht auch Irrtümer können die Wissenschaft weiter bringen.

  7. Fortsetzung des Beispiels:

    Sicher gut lesbar, wie immer bei diesem Autor, aber zögernd hier verlinkt, denn ich verweise nur ungern auf Texte, die ich nicht selbst gelesen habe. Hierbei geht es um einen besonders deutlichen Zusammenhang zwischen einer erstaunlichen Beobachtung und dem von ihr ausgehenden theoretischen Impuls.

  8. Medizin und Integrale:

    Man weiß nicht, ob man lachen oder weinen soll: Nun ist auch die medizinische Forschung auf den Trick mit den Integralen gekommen (link).

  9. gute software ermögl. th. phys. von semi-laien:

    Hier wird beschrieben, wie ein high-school-Schüler offenbar ganz gute theoretische Physik zustande brachte, weil geeignete software ihm half, sein “math-gap” zu überspringen.

  10. DAS archetypische Beispiel:

    fürs Überleben genutzte, instrumentell eingesetzte mentale power: (BBC-Video) Ich denke, so sah schon die Nahrungsbeschaffung bei frühen Hominiden aus. Kein Wúnder, dass frühe Kulte wohl einen (heutzutage komisch wirkende Überlappung ‘abgehobener’ und ‘lebenspraktischer’ Aktivitäten) “spirituellen” Hintergrund andeuten (Werner Herzogs Trailer).

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