Die dritte Form der Naturforschung

BLOG: Die Natur der Naturwissenschaft

Ansichten eines Physikers
Die Natur der Naturwissenschaft

In seinem Buch "Die zweite Erschaffung der Welt – Wie die moderne Naturwissenschaft entstand"  spricht der Wissenschaftshistoriker Floris Cohen von zwei Methoden der Naturforschung, die sich im antiken Griechenland entwickelt haben. Er nennt sie kurz "Athen" und "Alexandria", weil an diesen Orten diese so unterschiedlichen Bemühungen um ein Verständnis der Natur entstanden und weiter entwickelt worden sind.   In Athen waren es vor allem die Vorsokratiker und die philosophischen Schulen um Platon und Aristoteles, in Alexandria der Einfluss von Euklid, Archimedes und Ptolemäus.  "Athen" stand für die Naturphilosophie, für die Erklärungsversuche der Gesamtheit der Naturphänomene durch ein paar Leitideen, "Alexandria"  für  Erklärungsversuche einzelner Phänomene mit Hilfe der Mathematik.  "Top-Down" bzw. "Bootom-Up"  –  würde man im heutigen Jargon sagen.  Beide Richtungen hatten eine große Wirkungsgeschichte, im Vordergrund stand immer der athenische Ansatz,  Aristoteles wurde im Mittelalter für viele seit Albertus Magnus der Ausgangspunkt in der Philosophie, beherrschte über Jahrhunderte die Ausbildung an den Universitäten und steckt auch noch heute in vielen Köpfen.  Der alexandrinische Ansatz genoss stets weniger Popularität,  wirkte dagegen effizienter:   Als Galilei Anfang des 17.Jahrhunderts die neue Wissenschaft, die moderne Naturwissenschaft  "entdeckte",  orientierte er sich an Euklid und erkannte die Bedeutung der  mathematischen Sprache für die Beschreibung der Beobachtungen und Experimente.  Eine Entwicklung nahm damit ihren Anfang, die zur heutigen modernen, durch Naturwissenschaft und Technik  geprägten  westlichen Welt geführt hat.  
Neben diese beiden Formen des Strebens nach Naturerkenntnis macht Cohen aber noch eine dritte Form  aus, die besonders in der Zeit der Renaissance vor Galilei dominierend in Europa war. Diese hatte weniger weit gesteckte Ziele, er charakterisiert sie so:  "Ihre Vertreter leiteten ihre Erkenntnisse nicht aus dem Intellekt ab, sondern suchten sie in genauer Wahrnehmung, und zwar in der Absicht, bestimmte praktische Ziele zu erreichen." Es ging ihnen also um eine möglichst genaue Beschreibung oder um eine Ausnutzung bestimmter Regelmäßigkeiten in der Natur für praktische Zwecke. 

Sammlungen, Faustregeln, Erfindungen
Es war damals die Zeit der großen Entdeckungen, ob das nun neue Meere oder Erdteile waren oder  der menschliche Körper.   So gab Martin Waldseemüller 1507 einen Globus und eine Weltkarte heraus, auf der zum ersten Mal die Bezeichnung "Amerika" für den gerade entdeckten Kontinent  auftauchte. Abraham Ortelius veröffentlichte 1570 eine Sammlung von Kartenblättern in Buchform und Gerhard Mercator 1595 ein ähnliches Werk, für das er als erster das Wort "Atlas" einführte. Landkarten von heimatlichen und fremden Gebieten wurden bald modern und  dienten häufig als Wandschmuck, wie man auf vielen Bildern aus der Zeit sehen kann.  Andreas Vesalius (1514- 1564) erkundete durch seine akribischen Sektionen den Bau des menschlichen Körpers und fasste seine gewonnenen Kenntnisse in einem anatomischen Atlas ("Über den Bau des menschlichen Körpers", 1543) zusammen.  
Aber nicht nur Atlanten von Landschaften und vom menschlichen Körper  wurden interessant,  Pflanzen jeglicher Art wurden gesammelt, ausführlich beschrieben und nach Merkmalen sortiert. Conrad Gesner (1516-1565) veröffentlichte 1551 sein bedeutendstes Werk  "Opera Botanica",  im gleichen  Jahr erschien das Kräuterbuch von Adam Lonitzer, das 879 Pflanzenarten beschrieb.
Besonders bekannt ist heute noch die Vermessung des Himmels durch Tyco Brahe (1546-1601), der mit bis dahin unerreichter Präzision den Lauf der Planeten und anderer  Himmelserscheinungen  beobachtete und dokumentierte.  
Neben der Erkundung des Himmels und der Erde und alles dessen, was darauf  lebt,  entdeckte man auch immer mehr, dass bestimmtes Wissen in der Praxis von großem Nutzen sein kann.  Leon Battista Alberti (1404-1472)  und Albrecht Dürer (1471-1528) erkannten die Bedeutung geometrischer Verfahren  für die Konstruktion der  Zentralperspektive, die Malerarchitekten wie Brunelleschi und  Giotto schon im 14. Jahrhundert kannten.   Für den Bau von Kuppeln, Brücken und Festungen bildeten sich Faustregeln, teils durch Erfahrung, teils durch spezielle Experimente motiviert.  Georgius Agricola (1494-1555) fasste  als erster systematisch das  Wissen im  Bergbau und Hüttenwesen  des 15. und 16. Jahrhunderts  zusammen und beschrieb sehr genau die in der Praxis benutzten Maschinen und  geübten Verfahren.
Der bekannteste Vertreter dieser Form der Naturerkenntnis ist Leonardo da Vinci (1452-1519). Den meisten ist er eher als Maler bekannt (Mona Lisa, Das letzte Abendmahl, Anna selbdritt, usw.), er war aber auch ein höchst begabter Bildhauer und Architekt  und  auf ebenso hohem Niveau Anatom, Mechaniker und Ingenieur.  Unzählige Entwürfe für Flugmaschinen, Wurf- und Schleudermaschinen und andere Geräte für die Kriegsführung, dargestellt in unvergleichlich genauen und übersichtlichen  Zeichnungen, zeugen davon.  
Neben diesen heute noch bekannten Naturforschern dieser dritten Form  gab es Legionen von Tüftlern und Spekulierern, die heute nur noch höchstens bei lokalen Geschichtsforschern Interesse erwecken.   Darunter waren Straßenbauer, Schneider, Uhrmacher,  Apotheker, Ärzte,  Pfarrer.  Solche Hobbyforscher gibt es noch heute. Besondere in  der Sammlung und Sortierung von Information und Daten leisten sie mitunter Beeindruckendes und inzwischen gibt es  eine gute  Zusammenarbeit  mit  professionellen Forschern.  "Citizen Science"  nennt man das – der PC im eigenen Heim macht es möglich.  In der NZZ vom 10.10.2010 spricht man schon von einer Ära der Hobbyforscher: "Laien konstruieren Proteine (www.fold.it), suchen für die Nasa interstellaren Staub oder sortieren Galaxien (www.Galaxyzoo.org). Bald soll es ein Projekt geben, bei dem man nach Fossilien suchen kann. "

Die drei Formen der Naturforschung heute
Der Wissenschaftshistoriker Floris Cohen sieht diese dritte Form der Naturforschung ziemlich unabhängig neben den anderen beiden sich entwickeln, die er durch "Athen" und  "Alexandria" charakterisiert. Und er entdeckt in den beiden anderen großen Kulturkreisen, in  China und in der islamischen Welt, ein ähnliches Muster in der Beschäftigung mit der Natur, wenn auch jeweils anders gewichtet.  Mit Anfang des 17. Jahrhunderts macht er aber eine Revolution im Denken in Europa aus, die sich in allen drei Arten der Naturforschung ereignet, am stärksten aber in der alexandrinischen Form zum Tragen kommt. Es ist dort die schon erwähnte Entdeckung der "neuen Wissenschaft" durch Galileo Galilei, eine neue Methode, die die alexandrinische Form zu dem werden ließ, was wir heute  Naturwissenschaft nennen.  Aber auch das Profil der beiden anderen Formen der Naturforschung wird nach dieser großen Transformation schärfer.  Die Form "Athen" wird nun, auch rückblickend, zur Naturphilosophie, die dritte Form wird zur anwendungsorientierten Forschung. Diese wird aber im Laufe der Zeit immer stärker angewiesen auf die in den Naturwissenschaften betriebene Grundlagenforschung, so dass  es heute nahtlose Übergänge gibt und die Unterscheidung häufig schwer fällt.

Aber die typischen Eigenarten der drei Formen bleiben erkennbar. Naturwissenschaftler wie Naturphilosophen suchen nach allgemeinen Prinzipien oder Gesetzen,  von denen aus sie deduktiv spezielle Aussagen oder Erklärungen ableiten können. Unterschiedlichste  philosophische Systeme und naturwissenschaftliche Theorien zeugen davon.  
Naturwissenschaftler unterscheiden sich von Naturphilosophen aber darin, dass sie ihre Hypothesen über Leitgedanken oder Prinzipien in eine experimentell überprüfbare Form bringen und zu dieser Hypothese erst mehr Vertrauen finden, wenn diese die ersten Prüfungen überstanden hat.  Genau dieses hat Galilei als erster bewusst vorgemacht  und es ist seitdem das Proprium einer Naturwissenschaft.  Besonders deutlich wird das z.B. auch wieder bei der Genese der speziellen Relativitätstheorie.  Albert Einstein hatte die Idee,  dass es eine grundlegende Eigenschaft des Lichtes sein musste,  in jedem Bezugsystem die gleiche Geschwindigkeit zu besitzen.  Eine verbale Aussage alleine beeindruckt aber noch nicht.  Erst wenn sie so formulierbar und dann auch formuliert ist, dass daraus Schlüsse gezogen werden können,  die durch Experimente oder Beobachtungen geprüft werden können, wird aus der Idee eine ernsthafte Hypothese.  Die Entdeckung Galileis, dass Ideen über das Verhalten der Natur so formuliert werden können, dass sie wirklich nachprüfbar sind, führte also zu der Form der Naturforschung, die wir heute Naturwissenschaft nennen.  Kein Wunder, dass die Naturphilosophie nach dieser Revolution im Denken bald keine Rolle mehr spielte und ein Teilbereich der Geschichte der Philosophie wurde. 

Vertreter der dritten Form findet man heute u.a. an Technischen Universitäten, Fraunhofer-Instituten,  Fachhochschulen  und Forschungsabteilungen großer Firmen.  Diese Form ist heute  zu einem wichtigen Wirtschaftsfaktor geworden,  die Übergänge zwischen ihr und der rein erkenntnisorientierten Forschung  sind  fließend, Nobelpreise werden für die Erfindung neuer Materialien vergeben, Firmen gewähren den Wissenschaftlern in ihren  Entwicklungsabteilungen Freiräume zu eigener Forschung und auch klassische Universitäten unterhalten Stabsstellen für den Technologietransfer.  Es gibt eigentlich nur noch eine Form der Naturforschung, die Naturwissenschaft.

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".

9 Kommentare

  1. Rhythmen

    Ein wenig Naturwissenschaft vom Hobbyforscher enthält dieses 10-Sekunden Video gleich am Anfang:
    http://www.youtube.com/watch?v=FJ-e5SV4jKY
    Der junge Eichelhäher kratzt sich rhythmisch sehr schnell am Kopf, sechs mal in einer halben Sekunde wurden von mir in Zeitlupe gezählt.

    Menschen können solche Bewegungen höchstens 5 mal in einer ganzen Sekunde durchführen, dann stößt man auf eine unüberwindbare Grenze, schneller geht’s nicht.
    Der Vogel scheint auch eine rhythmische Grenze zu haben, die aber mehr als doppelt so schnelle rhythmische Bewegungen erlaubt als es Menschen möglich ist. Er kratzt sich immer in der gleichen Geschwindigkeit.
    Die Präzision von rhythmischen Bewegungen bei Tieren ist beachtlich und läßt die Frage nach ihrer Steuerung zu, die in irgendwelchen neuronalen Oszillationen zu vermuten ist.

    Interessant ist auch die Frage, warum Vögel, Mäuse und Insekten deutlich schnellere Bewegungsrhythmen ausführen können, oder: warum sind Menschen so langsam, wodurch werden diese Grenzfrequenzen konstant festgelegt?

    Ein Blick ins Tierreich zeigt: Die Bewegungsrhythmen von Giraffen, Elefanten und Walen sind offensichtlich noch langsamer als unsere, während kleine Tiere mit blitzschnellen Reaktionen und schnellen Rhythmen ihr Leben schützen können (Kolibri, Stichling, Fliege).

    Diese Beobachtungen legen die Vermutung nahe, daß die Begrenzung der Bewegungsfrequenzen mit der Körpergröße korreliert, je größer, desto langsamer.
    Eine gültige naturwissenschaftliche Erklärung für diese Korrelation gibt es noch nicht, sodaß mir eine rationale Spekulation als Erklärung erlaubt ist:
    Ausgangspunkt ist die Annahme, daß ein datenverarbeitendes Gehirn wie jeder Computer einen Arbeitstakt benötigt, in dem die Datenpakete schrittweise durch alle Operationen geschleust werden.
    Bekanntlich sind die Taktgeber der Elektronengehirne so schnell wie es technisch möglich ist, sie arbeiten mit vielen milliarden Arbeitsschritten pro Sekunde.
    Mit einer einfachen Berechnung läßt sich beweisen, dass die langsameren Frequenzen der „Biocomputer“ sich notwendigerweise aus der Körpergröße und der Nervenleitgeschwindigkeit ergeben.
    Entscheidend ist die Annahme, dass die Taktfrequenz in einem System durch die längsten Wege innerhalb des Systems begrenzt wird, weil eine Taktperiode nicht schneller sein darf als die Zeit, die für den längsten Weg von ihr benötigt wird.
    In Computern ist diese Zeit sehr kurz, weil die elektrischen Daten sich annähernd mit Lichtgeschwindigkeit durch die Leitungen bewegen.

    Bei der neuronalen Datenverarbeitung muß es dagegen wesentlich langsamer zugehen.
    Vom Kopf bis zum großen Zeh sind circa zwei Meter Nervenleitung die längste Wegstrecke im System Mensch. Weil die Nervenleitung bei maximal hundert Metern pro Sekunde mindestens 0,02 Sekunden für zwei Meter braucht und noch Verzögerungen in synaptischen Übertragungen dazugerechnet werden können, muss der Arbeitstakt in einem datenverarbeitenden „System Mensch“ deutlich unter 50 Hz liegen, um vom Kopf bis zu den Füßen wirksam zu sein.
    So liegt es auf der Hand, daß die Körpergröße bei diesen langsamen Leitungen einen limitierenden Einfluss auf die Taktfrequenz hat und damit eine plausible, überprüfbare Erklärung für die unterschiedlichen Bewegungshythmen bei kleinen und großen Tieren gegeben ist.

  2. Rhythmen

    Ich habe mal einen Selbstversuch gemacht.
    Dabei wollte ich wissen wie oft man einen Mouse-Knopf pro Sekunde “clicken” kann.
    Ich kam auf etwa 17 mal pro Sekunde .. reproduzierbar.
    Ich kann dabei aber nicht jeden “Click” einzeln bewusst steuern .. sondern die beteiligten Muskeln halt zum oszilieren.
    “Andere” haben das auch schon hinbekommen .. ergo USB könnte vermutlich auch schneller .. Mensch eher nicht.

  3. Rhythmen & reduktionistische Skalierung

    Ameisen können das 100x des Eigengewichts tragen. Skaliert man sie aber auf Menschengrösse, verschwindet dieser Vorteil, weil das Gewicht mit dem Volumem skaliert in 3D, die Muskelkraft aber nur mit Muskelquerschnitt in 2D! Dieser Artikel erklärt es sehr schön. Die Geschwindigkeit der Reizleitung spielt imo nur eine untergeordnete Rolle.

    Das scheint ja überhaupt gerade bei der Analyse komplexer Systeme in der heutigen Forschung ein grundlegendes Problem mit alten Forschungsmethodiken zu sein. Mit Reduktionismus kann man bei der Analyse des Hirns oder Universums nicht mehr das ganze als Summe der einzelnen Bestandteile erklären. Zum einen, weil der Mensch wie bei den Rhythmen intuitiv falsch schliesst, linear und nicht nichtlinear denkt und an der falschen Stelle sucht. Zum anderen weil komplexe Systeme in der Simulation nicht oder nur sehr sehr schwer identisch an reale Systeme angelichen werden können und viele Gesetze die diesen Systemen immanent sind verfälscht oder nicht berücksichtigt werden.

    Ich denke Projekte wie Polymath zeigen, dass gerade bei komplexen Fragestellungen durch Hinzunahme von Laien eine Multiperspektive auf Probleme möglich wird, die scheinbar fruchtbarer sein kann, als der evtl. manchmal etwas sehr spezielle theoretische Blick von Hochspezialisten, die es aus Zeitgründen und Theorievorbelastung nicht imstande sind Probleme mal grundsätzlich neu zu betrachten, ganz im Sinne von Kuhns “Paradigmen” und Lehrmeinungen. Natürlich müssen diese weiterhin kontrollierend, leitend eingreifen. Aber eigentlich ist der Gedanke nicht so fremd, das komplexe Systeme die das Produkt evolutiver Prozesse sind auch durch einen evolutiven Forschungsprozess unter Teilnahme aller (auch Laien, nicht nur Fachexperten) verstanden werden können und vielleicht sogar müssen. Mann kann das Hirn wohl nicht verstehen, wenn man nur das von Genies untersucht, sondern von Fruchtfliege – Schimpanse – Kleinkind – Behinderter – Ottonormal – Genie – Savant müssen alle untersucht werden. Ob sich diese versch. Hirne reduktionisch alle in gleiche und evtl. zahlenmässig versch. Teile unterteilen lassen bleibt die Frage. Letztendlich besteht alles aus Atomen, aber emergente kybernetisch Regelgesetze sind keine Naturgesetze und nur sehr schwer auszumachen bzw. abhängig von dem zu untersuchenden System, subj. Perspektive und math. Knowhow. Eine Methodik die erklärt was Emergenz eigentlich ist und wie sie in Theorien/Systemen wirkt wäre evtl. die vierte Form der Naturforschung

  4. Rekord?

    Hallo Sascha Bohnenkamp,

    17 mal pro Sekunde ist schon rekordverdächtig, wenn die Messung wirklich stimmt. Wie hast Du das gemessen? Oder bist Du unter 1meter klein?

    Als Klavierspieler habe ich solche Messungen nur an Klaviertasten gemacht, die ja einen größeren Hub haben, und da konnte ich eine Taste höchstens 8 mal pro Sec. drücken. Beim Trillern mit 2 Fingern auf zwei Tasten (Wechselbewegung) kam ich höchstens auf 12-13 Anschläge pro sec., aber das ist bei allen Musikinstrumenten in diesem Bereich die natürliche Grenze.
    Die schnellste Wechselbewegung bringen die Trommler beim Trommelwirbel, mit viel Übung und Trick schaffen die sauber 16 Schläge pro Sek.
    Beim Mouseclick ist die Amplitude so klein, daß vielleicht auch unkontrollierbares Tremorzittern dazu eingesetzt werden kann, aber der sogenannte „feinschlägige“ Tremor soll auch nur bis 15 Hz gehen.
    Wo hast Du gelesen, daß „Andere“ auch 17 Clicks pro Sekunde bringen?
    Übrigens, der Weltrekord auf der Schreibmaschine liegt immer um die 600 Anschläge pro Minute, kaum zu überbieten.
    Noch ein Weltrekord, kaum zu toppen, sind die 100 Meter unter 10 Sekunden.
    So ein Lauf wurde bei olympischen Spielen einmal in Zeitlupe gezeigt, und ich konnte beobachten und zählen, wie alle Läufer weitgehend synchron in einem Gruppenrhythmus liefen und genau 50 Schritte für die Distanz brauchten, fünf 2meter-Schritte pro Sekunde.

    @ursuppe habe ich auch gelöffelt, war gut gewürzt.

  5. @Rehm

    Ich bin “normal” groß – ca. 1,80m.
    Gemesen habe ich dass indem ich ein Programm geschrieben hatte, was die Mouse-Tastendrücke misst. Das lieferte auf verschiedenen Rechner auch die gleichen Ergebnisse, daher “reproduzierbar”. “Andere” habe ich nicht gelsen, sondern einfach Kollegen dazu genommen .. manche lagen bei 15 andere so wie ich.
    Im Gegensatz zu einem Klavierspieler kann ich aber, wie ich schon erwähnte, die einzelnen “clicks” nicht steuern .. es sind halt soviele wie möglich.
    Das mit der kleine Amplitude stimmt natürlich, es ist eine Art provoziertes Zucken … bewusste Bewegen – auch antrainierte – sind sicher langsamer.
    Was du zu dem Klavierspieler gesagt hast finde ich deutlich eindrucksvoller … immerhin muss der verschiedene Tasten und dazu auch noch die richtigen treffen.

  6. @Sascha Bohnenkamp

    Die gemessenen 17 pro Sekunde, schneller als ein Trommelwirbel, lassen mir keine Ruhe.
    Meine Vermutung: Die Maus misst beim Drücken („On“) und beim Anheben (off), also zwei mal pro Zyklus. So kommen wir genau auf die circa 8-9 „auf-nieder“-Zyklen, die jeder maximal mit Fingerklopfen schaffen kann.
    Nebenbei wirst Du bei Deinen Messungen sicher festgestellt haben, daß diese maximalen Frequenzen nur wenige Sekunden lang durchgehalten werden können, weil schnell Ermüdung einsetzt. Halb so schnell (4-5/sec) kann man dagegen „stundenlang“ ohne Ermüdung mit einem Finger klopfen.
    In der Musik sind es die „Sechszehntel-Noten“, die noch gut spielbar sind, während die „Zweiunddreißigstel-Noten“ nur kurzfristig mit viel Übung präzise zu bringen sind. Auf Blasinstrumenten schafft man solche maximalen Staccato-Tempi nur mit speziellen Tricks (Doppelzunge, Triolenzunge).

  7. eh diese alte diskussion

    diese ewigen unterscheidungen sind so langweilig. Philosophie = Naturwissenschaft. Man lese newton im orginal, die mathematischen prinzipien der naturphilsophie, ein buch, in dem der herr newton davon spricht eine neue philosophie entwickelt zu haben. Oder D Alembert und die franz. Enzyklopedisten Philosophie ist die erste kateogie. Diese Kategorie hat viele verschiedene Methoden zu bieten 1. Emprisch, Logisch = Aristoteles. 2. Mathematisch, idealistisch = Platon, Euklid. 3.Mathematisch, deduktiv = Leibniz, Descartes. 4. mathematisch, experimentel, induktiv = Galilei, Newton

    für mich ist wissenschaft einfach sowas wie “nachdenken über die grundlegenden Prinzipien und ursachen der welt” Und ganz ehrlich. Wen interessieren bitte die Experiemntal Physiker ???? Das sind Knechte. Lol! die hole ich doch am ende wenn schon alles gesagt ist damit der volksmund klar kommt! Und wie ist das heute eigentlich ?? big bang theorie, stringtheorie…ja eigentlich schon die allgemeine relativitätstheorie. das ist doch metaphysik vom feinsten. Und ihr solltet mal wieder ein bissel leibniz lesen. der is hammmaaaa. wie er newton kritiserit hat hinsichtlich raum und zeit. Alles richtig!!! seine Analysis!! sooo elegant. Dann seine metaphyischen atome, die Monaden. Außedem die klassische Logik mathematisiert und so weiter und so weiter. Dieser Mann war einfach großartig.

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