Was sind Naturgesetze?

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1 Seminar Einleitung zur Diskussion. Was sind Naturgesetze? 1. Perspektive - Die Eigenart der philosophischen Betrachtung. Wilhelm Wundt:»Die Philosophie besteht in der Zusammenfassung unserer einzelnen Erkenntnisse zu einer die Forderungen unseres Verstandes und die Bedürfnisse unseres Gemütes befriedigenden Lebensauffassung.«Wilhelm Jerusalem:»Philosophie ist die Denkarbeit, welche in der Absicht unternommen wird, die tägliche Lebenserfahrung und die wissenschaftliche Forschung zu einer einheitlichen und widerspruchslosen Weltanschauung zu vereinigen... «. Moritz Schlick: Jerusalem bezeichnet die Philosophie hier also als»denkarbeit«, aber er zieht dann nicht die entsprechende Konsequenz daraus und behandelt die Philosophie doch als Wissenschaft.... Was ist damit gesagt, wenn man die Philosophie die allgemeinste Wissenschaft nennt? Das philosophische Streben wäre dann nichts anderes als ein auf die Spitze getriebenes wissenschaftliches Streben, eine neue wissenschaftliche Lehre. Wir aber fühlen, dass die philosophischen Probleme nicht bloß diesem Erkenntnisstreben entspringen, sondern dass ihnen eine besondere Unruhe zugrunde liegt, die in einer ganz besonderen Weise gestillt werden muss, nicht auf die Weise, in der wissenschaftliche Erkenntnisse gewonnen werden.... Zugleich werden wir sehen, dass wohl etwas einem System ähnliches gemacht werden kann, dass die philosophischen Probleme irgendwie zusammenhängen und eine geschlossene Einheit bilden, nur in einem andern Sinne wie in den Wissenschaften, kein Gebäude von Erkenntnissen wie in den Wissenschaften, kein Zusammenschluss von wahren Sätzen. 1

2 - Beispiel: Induktion und allgemeiner Kausalsatz. - eine Grundfragen der Naturphilosophie Induktionsfrage - es gibt keine empirische Basis für Induktion (Verifizierbarkeit unmöglich) (David Hume, 1748, An enquiry on human understanding ) Was gibt dann unserem Erkenntnis die Sicherheit? Antworten, z.b.: Kant: a priori synthetische Urteile Raum, Zeit als fundamentale Formen der Erkenntnis, und a priori analytisches Vorgehen (mathematische Deduktion); die Sicherheit wird von uns selbst hineingebracht: wir können gar nicht anders als kausal denken Popper: hypothetisches Vorgehen und Falsifizierbarkeit ist die Grundlage für die Fortschritt unseres Erkenntnis, wir brauchen keine zusätzliche Sicherung (in der Praxix ist das genau was wir tun: vergleiche mit Forschung) 2

3 - Verständlichkeit der Welt und allgemeiner Kausalsatz Albert Einstein: das größte Wunder Charles S. Peirce: Das Ziel der Philosophie ist, alles verständlich zu machen. Die Philosophie postuliert somit, daß die Naturvorgänge verständlich sind. Postuliert sage ich, nicht: nimmt an. Es mag sich anders verhalten; aber nur soweit es sich so verhält, kann die Philosophie ihren Zweck erfüllen. Sie ist daher gehalten, sich nach dieser Annahme zu richten, sei sie nun wahr oder nicht. Sie ist eine verzweifelte Hoffnung, aber soweit der Naturprozeß verständlich ist, ist der Naturprozeß mit dem Vernunftprozeß identisch. Es muß praktisch angenommen werden, daß das Gesetz des Seins und das Gesetz des Denkens eins sind. Deshalb werden wir beim Entwerfen einer Theorie des Universums recht daran tun, jene Begriffe zu verwenden, die für die Logik klarerweise wesentlich sind. (N&Z, S.133, 1890) (Muss nicht als Priorität des Denkens über die Materie verstanden zu werden, sondern eher als Zusammengehörigkeit.) Ernst Cassirer (dabei zum Teil Hermann von Helmholtz paraphrasierend) "das Suchen nach immer allgemeineren Gesetzen ist ein Grundzug, ein regulatives Prinzip unseres Denkens. Eben dieses regulative Prinzip, und nichts anderes, ist das, was wir Kausalgesetz nennen. In diesem Sinne ist es ein a priori gegebenes, ein transzendentales Gesetz: denn ein Beweis desselben aus der Erfahrung ist nicht möglich. Aber auf der anderen Seite gilt, daß wir für seine Anwendbarkeit keine andere Bürgschaft als seinen Erfolg haben. Wir könnten in einer Welt leben, in der jedes Atom von jedem anderen verschieden wäre; in ihr wäre keinerlei Regelmäßigkeit zu finden und unsere Denktätigkeit müßte ruhen. Aber der Forscher rechnet nicht mit einer solchen Welt; er vertraut auf die Begreifbarkeit der Naturerscheinungen, und jeder einzelne Induktionsschluß wäre hinfällig, wenn ihm nicht dieses allgemeine Vertrauen zugrunde läge. 'Hier gilt nur der eine Rat: Vertraue und handle! - das Unzulängliche wird dann Ereignis'." (Cassirer: ZMP 200, 1935; Helmholtz: Handbuch der Physiologischen Optik, 2. Aufl. 1896, II, 591) 3

4 - Naturphilosophie, Erkenntnistheorie, Wissenschaftstheorie. Antike: Platon, Aristoteles: Die Philosophie entspringt aus einer Verwunderung des Denkers über die Welt. Aristoteles: [wir] meinen..., etwas zu wissen, wenn wir glauben, sowohl die Ursache zu kennen, aufgrund derer ein Ding ist (und zu wissen, dass diese seine Ursache ist), als auch, dass es nicht anders sein kann Die Forderungen von Universalität und Notwendigkeit sind grundlegend für unseres Verständnis: erst dadurch, dass wir Notwendigkeit und Universalität für ein Naturgesetz verlangen, können wir ihren Anwendungsbereich präzise definieren, es nachprüfen und eventuell widersprechen. In der Folge emanzipiert sich die Naturwissenschaft von der Philosophie. Naturphilosophie. Erkenntnistheorie: Rationalismus (Descartes, Leibniz) Empirismus (Locke, Hume), Vorrang der Beobachtung Idealismus (Berkeley, Kant, Hegel): unseres Denken strukturiert die Beobachtung Positivismus, Empiriokritizismus, Logischer Empirismus, usw., Theorien als (nur) Instrumente Realismus (Helmholtz, Peirce, Schlick, Popper, Putnam,...): unsere Konzepte haben ein eindeutiges Referent Wissenschaftstheorie: (Duhem, Reichenbach, Popper, Kuhn, Feyerabend... Erhard Scheibe) 4

5 2. Die Philosophie der Physiker Typische Physiker Einstellung: Hermann Weyl: "Innerhalb der Naturwissenschaft bezeichnen die weltanschaulichen Gegensätze von Realismus und Idealismus einander nicht widersprechende methodische Prinzipien. Wir konstruieren in ihr eine objektive Welt,... " in der zugleich zwei Prinzipien gelten müssen: ein "realistisches", mit Helmholtz so dargestellt: "Eine Verschiedenheit der sich uns aufdrängenden Wahrnehmungen ist stets in einer Verschiedenheit der reellen Bedingungen fundiert." und ein "idealistisches": "... das objektive Weltbild darf keine Verschiedenheiten zulassen, die nicht in Verschiedenheiten der Wahrnehmung sich kundgeben können; ein prinzipiell der Wahrnehmung unzugängliches Sein wird nicht zugestanden.". Positivismus und Realismus in der Diskussion der Physiker Realismus als fruchtbarste Hypothese: Helmholtz, Positivismus als sparsamste Einstellung: Mach, beide werden problematisiert wenn sie als absolut gesehen werden. 5

6 3. Ein offener Diskussionsrahmen: der Ansatz Pierre Duhems Die Diskussion von Pierre Duhem ist vor allem durch ihre Klarheit herausragend; sie soll uns hier erlauben, in einem präzisen Rahmen Fragen zu stellen. - Physikalische Theorie zwischen Metaphysik und naturgemäßen Klassifikation. Duhem'sche Hauptargument: 1. In so fern Erklärung Zugang zu einer letzten Wirklichkeit bedeutet, impliziert dies eine metaphysische Setzung und zwar, nicht hypothetisch sondern absolut (die Welt ist so und nicht anders). 2. Es gibt keine eindeutige Metaphysik, sondern viele widersprüchliche metaphysische Systeme 3. Kein metaphysisches System schafft es, eindeutig die Ableitung einer Physik zu gewährleisten, bzw. zu begründen, ohne weitere ad hoc Annahmen (Kräfte zwischen den Atomen, Bewegungsmenge bei Descartes, vis primitiva bei Leibniz, usw.). 4. In so fern eine physikalisch Theorie auf Erklärung aus ist, muss sie eine Metaphysik voraussetzen (siehe 1.), macht sich also davon abhängig (siehe 2.), und hat aber nichts davon (siehe 3.). (Das bedeutet nicht, dass metaphysische Annahmen nicht eine relevante heuristische Rolle haben können in rahmen einer hypothetischen Vorgehen) 6

7 Duhems Ansatz: Die einzige Möglichkeit, eine physikalische Theorie selbständig zu definieren ist, sie als mathematisches Schema, dessen Symbole auf physikalischen Größen hindeuten, zu definieren. Als Validation Kriterium gilt (nebst mathematische Konsistenz) nur die Übereinstimmung mit den Phänomenen. Der Ziel einer physikalischen Theorie ist daher anstatt Erklärung, eine Naturgemäße Klassifikation was suggeriert, dass die logische Ordnung in der Theorie der Reflex einer ontologischen Ordnung ist. Es folgt, dass die Theorie Aussagen machen kann für noch nicht beobachteten Phänomene (Fresnel). Das ist eine Bestätigung des Charakters als naturgemäße Klassifikation, denn einfache Ökonomie des Denkens kann sich nur darauf beziehen, was man beobachtet hat. Somit ist der Bezug zur Wirklichkeit nicht durch die Postulierung einer Metaphysik vorweg genommen. Wir starten von der Beobachtung, und mit jedem Abstraktionsschritt entfernen wir uns förmlich von der Wirklichkeit, bis wir durch die Errichtung einer erfolgreichen Theorie finden, dass wir in unsere Theorie die Ordnung der Wirklichkeit wiedergeben und so uns wieder die letztere erreichen. Die Geschichte der Physik zeigt in wesentlichem Kontinuität und Fortschritt, was als Bestätigung für diesen Naturgemäße- Klassifikation--Charakter gesehen werden kann. 7

8 - Physikalische Theorie zwischen Mathematik und Experiment und der kreative Prozess der Bildung einer Theorie In der Errichtung einer physikalischen Theorie spielen sich mehrere Ebenen ab. - Die Begründung der theoretischen Physik als mathematische Physik (Galilei: das Buch der Natur ist in der Sprache der Mathematik geschrieben). - Die Rolle und die Eigenart des physikalischen Experiments (Basis der Induktion und theoretische Beladenheit). - Der kreative Prozess: die Aufstellung von Hypothesen. - Der analytisch-deduktive Prozess: Das mathematische Schema erlaubt die Deduktion von Eigenschaften von Phänomenen, Erklärung von Beobachtetes und Voraussagen von neuen Beobachtungen.. In der Tat ist die Theoriebildung ein kompliziertere Prozess. Wir haben: Maßaussagen, Gesetzesaussagen, Prinzipien-Aussagen und eine Reihe von Vorgängen: Idealisierung, Qualifizierung (Fehlerrechnung), Behandlung der Frage der mathematischen Konsistenz... Die Hypothesen sind keine spontane Schöpfungen sondern das Ergebnis einer fortschreitenden Entwicklung, sie sind keine willkürliche Schöpfungen des Physikers sondern drängen sich ihm auf (SRT). Schließlich: Was sich bewähren muss und daher geprüft werden kann ist nicht eine einzelne Hypothese sondern derer Gesamtheit einmal sie zu einer Theorie ausgebaut wurden (Duhem-Quine These). 8

9 4. Symbol als Betrachtungsgrundlage Was ist der Charakter der physikalischen Begriffe? Vorschlag: wir sollen von ihnen als Symbole sprechen das erscheint adequater als Zeichen oder als Konzept. So, wie ein Zeichen suggeriert die Verwendung des Wort Symbol einen Referent, einen Bezug und andererseits hat, oder weist auf eine Struktur hin, so, wie ein theoretischer Begriff. Das Symbol Konzept von Duhem (nach Ihmig): - Zeichen, die etwas beschreiben oder repräsentieren, - keine natürliche Verbindung zw. Zeichen und Referent notwendig, - immer in einer symbolischen Struktur eingebunden, - als einzeln neutral bezüglich Wahrheitswerte (nur indirekt, als Konstituenten einer Theorie), - nicht direkt aus der Erfahrung, sondern im Rahmen eines Erkenntnisprozesses ausgebaut. In der Physik sind vor allem zwei Symbol-Ansätze, auf die man immer zurückkommt: - Helmholtz-she Ansatz: aus der Natur gelesene Bedeutungen, die Struktur liegt in der Refernt: Die Sinnesempfindungen sind für unser Bewußtsein Zeichen, deren Bedeutung verstehen zu lernen, unserem Verstande überlassen ist (Helmholtz 1896). - Hertz-she Ansatz: unter Constraints generierte Bilder, die Struktur liegt in ihrer Beziehungen: Wir machen uns innere Scheinbilder oder Symbole der äußeren Gegenstände, und zwar machen wir sie von solcher Art, daß die denknotwendigen Folgen der Bilder stets wieder Bilder seien von den naturnotwendigen Folgen der abgebildeten Gegenstände [...] (Hertz, 1894). 9

10 5. Der Charakter physikalischer Gesetze. Beispiel: Erdbahn, Planetenbahnen Babylonier: einfache Fortsetzung von Beobachtungen, Tabellen Kepler: empirisches Gesetz, mathematische Zusammenfassung von Regelmäßigkeiten Newton: Gravitation als Naturgesetz: Theorie Gegenüberstellung Kepler-Newton Die wissenschaftliche Beschreibung von Beobachtungen und Experimenten involviert Idealisierungen und Abstraktionen einen theoretischen Hintergrund und, ins besondere, das Einführen von Größen oder Symbole um die Phänomene zu beschreiben (Bahn, Flächeninhalte, Periode, Geschwindigkeit, etc) Dadurch können Regelmäßigkeiten in der Phänomene festgestellt und empirische Gesetze aufgestellt werden: Kepler. Die Aufstellung eines Naturgesetzes impliziert eine weitere Annahme, oder Postulat, über eine Entität, die hinter der Phänomene steht, nicht als solche beobachtbar ist, aber sich in der Phänomene ausdrückt: Newton: Gravitationsgesetz, Gravitationskraft 10

11 Die Macht eines Naturgesetzes liegt in ihrer Universalität und Notwendigkeit (Aristoteles). Das Gravitationsgesetz erklärt nicht nur die Keplersche Gesetze sondern hat einen extrem breiten und offenen Anwendungsbereich. Darüber hinaus hat die Einführung einer Kraft einen exemplarischen Charakter und ermöglicht den Aufbau der Mechanik. Kraft bleibt ein sehr fruchtbarer Konzept bis hin zur lokalen Wechselwirkung. Fragen: was bedeutet ein Naturgesetz? Wie werden Naturgesetze aufgestellt? Solche Fragen kann man besprechen unabhängig davon,, ob eine realistische oder positivistische Verständnis hier vorliegt. Die Fragen verbunden mit Naturgesetzen, pragmatische als auch philosophische, sind paradigmatisch für eine Diskussion über physikalischen Erkenntnis. Wir können verfolgen wie die Gesetze aufgestellt werden, was sie involvieren, welche Entwicklungen sie mitmachen, etc. 11