Moderne wissenschaftliche Erkenntnis

Philosophische Probleme der modernen Naturwissenschaft

Methodologische Besonderheiten der modernen Naturwissenschaft

Ein weiteres Merkmal der post-nichtklassischen Naturwissenschaft ist die Integration von Mensch, Leben und Intelligenz in das Gesamtbild der Welt als organisches Element. Der Mensch beschreibt nicht nur Entwicklungsszenarien, sondern gestaltet sie aktiv – mit allen daraus resultierenden Konsequenzen. Er wird so zu einem integralen Bestandteil des wissenschaftlichen Weltbildes, sowohl als axiologischer Faktor als auch als erkennendes Subjekt, untrennbar von der Welt selbst.

Konstrukte der modernen Naturwissenschaft, ihre Anschaulichkeit und Bezug zur Realität

Zur Verdeutlichung: In der klassischen Naturwissenschaft war klar definiert, was als Subjekt (der erkennende Mensch) und was als Objekt der Erkenntnis galt – dies waren anschauliche, unmittelbar wahrnehmbare Phänomene und Dinge. Selbst Objekte, die nicht direkt beobachtbar waren, wie Atome, wurden als ebenso real betrachtet wie Pferde, Gewichte, Pendel, Züge oder Planeten. Bereits in der klassischen Phase der Naturwissenschaft zeigte sich jedoch, dass diese Selbstverständlichkeiten nicht zutreffen: Theoretische Konstrukte wie Wärme, Phlogiston und später Äther erwiesen sich als nur theoretische Annahmen.

Auch im Übergang zur nichtklassischen Phase blieb die Anschaulichkeit der Konstrukte bestehen. Bis heute finden wir in Physik-Lehrbüchern das planetare Atommodell, in dem Elektronen auf verschiedenen Bahnen um den Kern kreisen, obwohl „in Wirklichkeit“ keine Rotation der Elektronen, sondern Änderungen ihrer Energiezustände – Aussendung oder Absorption von Energiequanten – stattfinden.

In populärwissenschaftlichen Büchern und Filmen gab es einst äußerst anschauliche Illustrationen der allgemeinen Relativitätstheorie. J. A. Wheeler, ein Schüler Einsteins, demonstrierte, wie sich ein „Raumgerüst“ unter Gravitation krümmt, indem er Metallkugeln in eine gewöhnliche Hängematte legte. Heutzutage sind solche Darstellungen immer weniger erforderlich – und für jemanden, der von Kindesbeinen an mit der Computerrealität vertraut ist und sie manipuliert, ist die Frage nach der Realität kaum relevant. Ähnlich wie bei einem Schachspieler, dem man sagt, dass seine Figuren nur aus Holz sind, rückt die Frage nach Realität zunehmend zugunsten der heuristischen Nützlichkeit von Konstrukten und Modellen in den Hintergrund.

Der moderne Forscher konstruiert in seinem Spiel mit der Natur nicht nur Konzepte und Modelle, sondern auch das Untersuchungsobjekt selbst. So ist das Objekt der Kosmologie nicht das Universum als „Alles Existierende“, sondern das Universum als theoretisches Konstrukt, das vom Subjekt entsprechend seinem theoretischen und empirischen Instrumentarium definiert wird. Die moderne Kosmologie arbeitet nicht nur mit Modellen des expandierenden, sondern auch des verzweigenden Universums. Noch schwieriger ist es, sich die Koexistenz verschiedener Universen vorzustellen, wie sie durch diese Konzepte zugelassen wird.

Die Besonderheit naturwissenschaftlicher Objekte macht die im Alltagswissen üblichen Erkenntnismethoden unzureichend. Dies betrifft vor allem die Sprache der Wissenschaft, die mit ihrer Entwicklung zunehmend spezialisiert wird. Ein spezieller begrifflicher Apparat wird unvermeidlich, einschließlich Termini wie „Seltsamkeit“ oder „Faszination“ – mit striktem wissenschaftlichen Status und klarer inhaltlicher Bedeutung. Neben der spezialisierten Sprache benötigt die Naturwissenschaft zunehmend besondere theoretische und experimentelle Methoden. Die Entwicklung der Naturwissenschaften führte wiederholt zur Schaffung spezieller mathematischer Apparate – Logarithmen zu Keplers Zeit, Differential- und Integralrechnung bei Descartes und Leibniz, Tensoranalyse als neues Teilgebiet der Mathematik, das Einstein für die allgemeine Relativitätstheorie benötigte und auf Bitte von ihm von einem Kollegen entwickelt wurde.

Die Besonderheit der modernen Beobachtungs- und Experimentalwissenschaft liegt vor allem in schnellen Zustandsänderungen der untersuchten Objekte, ihrer Unerreichbarkeit, Mehrdeutigkeit in der Interpretation experimenteller Ergebnisse und deren theoretischer Belastung (d. h. Abhängigkeit von der Theorie, auf deren Grundlage das Experiment durchgeführt wird).

In der naturwissenschaftlichen Forschung werden häufig Gedankenexperimente verwendet, die Situationen modellieren, die in realen Experimenten nicht reproduzierbar sind – bekannt sind Maxwells „Dämon“, das Gedankenexperiment von M. Smoluchowski oder die Gedankenexperimente von A. Einstein und N. Bohr, die die Grundlage ihres jahrzehntelangen wissenschaftlichen Streits bildeten und die Entwicklung der gesamten nichtklassischen Naturwissenschaft wesentlich förderten. In den letzten Jahren wurden Methoden zur Untersuchung prinzipiell nicht beobachtbarer Objekte entwickelt, wie etwa „schwarze Löcher“, durch Analyse anomaler Strahlung anderer Körper in deren Umgebung. In der Forschung zu extrem dichten Objekten, extrem niedrigen oder hohen Temperaturen und in kosmologischen Theorien werden zunehmend indirekte Kriterien herangezogen, die auf inneren theoretischen Vorzügen konkurrierender Theorien basieren, die Konsistenz der Theorie beim Übergang zu einer umfassenderen Theorie gewährleisten usw. Der systemische Charakter des Wissens ermöglicht die Übertragung der Gültigkeit von Erkenntnissen von einem Naturbereich auf einen anderen und die Integration bereits erprobter idealer Konstrukte, ohne direkte praktische Überprüfung.

Es sei betont, dass selbst die praktische Nutzung wissenschaftlicher Ergebnisse in Produktion und Alltag keineswegs als vollständiger oder überzeugender Beweis ihrer Wahrheit, Angemessenheit zur Realität oder ihres Eindringens in das Wesen der untersuchten Phänomene angesehen werden kann.

Empirische und theoretische Erkenntnisebenen

Auf der heutigen Entwicklungsstufe der Wissenschaft bleibt die Anforderung an jedes wissenschaftliche Wissen unverändert: Es soll nicht nur aufzeigen, wie die Welt aufgebaut ist, sondern auch erklären, warum sie genau so aufgebaut ist, mit den entsprechenden chemischen Elementen, physikalischen Konstanten usw. Diese Forderung, die vor vier Jahrhunderten von Johannes Kepler formuliert wurde (und bereits in der Antike von den Pythagoreern verfolgt wurde), teilte auch Einstein, überzeugt wie Descartes, Newton und Boyle, dass „Gott raffiniert, aber nicht boshaft“ sei und dem forschenden Menschen das Erkennen seiner Schöpfung ermögliche.

Die genannten Merkmale wissenschaftlichen Wissens bestimmen dessen Struktur und die Art der Verknüpfung der verschiedenen Ebenen. In wissenschaftlichem Wissen lassen sich weiterhin zwei grundlegende Ebenen unterscheiden – die empirische und die theoretische –, die jeweils mit zwei miteinander verbundenen, aber spezifischen Formen erkenntnistheoretischer Aktivität korrespondieren.

Die Frage nach ihrem Verhältnis hat eine lange Vorgeschichte, die bis in die Antike zurückreicht, und erhielt im 17. und 18. Jahrhundert in der Naturwissenschaft einen prinzipiellen Charakter, als sie auf das Problem der Grundlagen wissenschaftlicher Erkenntnis bezogen wurde. Ab dieser Zeit wurden die Kategorien „empirisch“ und „theoretisch“ mit den Kategorien „sinnlich“ und „rational“ gleichgesetzt.

Indem der moderne Forscher die empirische und theoretische Ebene wissenschaftlicher Erkenntnis unterscheidet, erkennt er, dass auf der Alltagsebene die Unterscheidung zwischen sinnlicher und rationaler Erkenntnis zulässig ist, auf der wissenschaftlichen Ebene der empirische Untersuchungsbereich jedoch niemals auf rein sinnliche Kenntnisse beschränkt ist; ebenso ist theoretisches Wissen nie rein ratio. Selbst die primäre Schicht empirischer Daten – Beobachtungsdaten – wird stets in einer bestimmten Sprache fixiert, die nicht nur alltägliche Begriffe, sondern auch spezielle wissenschaftliche Termini verwendet, die bereits auf einer bestimmten Erkenntnisstufe entstehen. Jeder noch so elementare wissenschaftliche Fakt ist das Ergebnis einer komplexen Verarbeitung von Beobachtungsdaten: Analyse, Interpretation und Reflexion.

So müssen wir, selbst wenn wir nur die Abweichung eines Zeigers am Amperemeter oder an der Waage feststellen, bedenken, dass die Funktionsweise selbst so einfacher Instrumente auf einer bestimmten Theorie basiert. Noch offensichtlicher ist die „theoretische Belastung“ solcher „empirischen Fakten“ wie der Expansion des Universums (abgeleitet aus der theoretischen Interpretation der Rotverschiebung in Galaxien), der Spurentracks elementarer Teilchen in der Wilson-Kammer usw.

Auf der anderen Seite werden beim Aufbau jeder Theorie anschauliche Modellvorstellungen verwendet, die aus sinnlicher Wahrnehmung entstehen; selbst komplexe und stark formalisierte Theorien enthalten Objekte wie den idealen Pendel, den starren Körper oder die Welle.

Daraus lässt sich schließen, dass auf den niedrigsten Ebenen der empirischen Forschung das Sinnliche überwiegt, während auf der theoretischen Ebene das Rationale dominiert. Was sind die Kriterien zur Unterscheidung der empirischen und rationalen Ebenen? Sowohl empirische als auch theoretische Erkenntnis richten sich auf dieselbe Realität, unterscheiden sich jedoch in Sichtweise, Umfang und Tiefe der Durchdringung. Auf der Ebene empirischer Forschung können durchaus Abhängigkeiten zwischen Phänomenen und bestimmten Natur- oder Gesellschaftsgesetzen erkannt werden – etwa bei der Alchemie oder der Volksmedizin. Erst durch empirische Forschung wurden die Gesetze von Boyle-Mariotte und der universellen Gravitation entdeckt.

Während ein empirisches Gesetz lediglich das äußere Erscheinungsbild objektiv vorhandener Zusammenhänge erfasst, dringt ein theoretisches Gesetz bis zur Ebene der wesentlichen Verknüpfungen vor und erklärt sie, wobei die entdeckte Beziehung der Phänomene als eine Art logische Notwendigkeit dargestellt wird. Dies ermöglicht die prognostische Fähigkeit theoretischen Wissens.

Theoretische und empirische Formen der Forschung bedienen sich unterschiedlicher Mittel. Im Experiment wirkt der Wissenschaftler direkt auf die untersuchten Objekte ein. Dennoch entsprechen empirische Objekte nicht den realen natürlichen, sozialen oder geistigen Objekten, sondern stellen Idealisierungen auf dem Weg zu theoretischen Abstraktionen dar. Ein herausragendes Beispiel für die Einheit von empirischem und theoretischem Wissen liefern Galileis Experimente und alle Arten von Gedankenexperimenten.

Mit dem Verhältnis von empirisch und theoretisch sind eng die Begriffe Rationalität und Intuition verbunden. In Wirklichkeit ergänzen sie sich organisch. Dabei darf jedoch nicht übersehen werden, dass auf dem Weg zur Entdeckung häufig Intuition auf der Basis langjähriger Forschungserfahrung den Wissenschaftler führt, der nach Abschluss der Untersuchung jedoch verpflichtet ist, die Entdeckung zu begründen und, soweit möglich, die Schritte zu ihrer Erreichung nachzuvollziehen. Dies kann eine äußerst schwierige Aufgabe sein, wie Einstein, Bohr und Planck bestätigten. Viele Wissenschaftler stimmen dem großen Mathematiker C. Gauß zu, der sagte: „Hier ist mein Ergebnis, aber ich weiß noch nicht, wie ich es erhalten habe.“

Bekannte Fälle von Geistesblitzen oder glücklichen Zufällen in der Wissenschaft krönen in Wirklichkeit jahrzehntelange, logisch fundierte Forschungsarbeit. Maxwell fügte beispielsweise aus reinen „Symmetrieüberlegungen“ einer seiner vier Gleichungen des elektromagnetischen Feldes einen zusätzlichen Term hinzu, dessen Bedeutung er zunächst nicht erklären konnte, der sich aber als prinzipiell wichtig herausstellte – die „dieelektrische Konstante“. Ästhetische Überlegungen (Schönheit, Einfachheit von Theorien als Ausdruck tiefer Naturgesetze) dienten gleichermaßen den antiken Naturphilosophen, Kepler, Einstein und der modernen Wissenschaft insgesamt.

Heisenberg schrieb hierzu an Einstein: „Die Einfachheit der Naturgesetze ist objektiv … Wenn die Natur selbst mathematische Formen von großer Schönheit und Einfachheit vorschlägt … Formen, deren Existenz niemand zuvor vermutet hat, dann beginnt man unwillkürlich zu glauben, dass sie ‚wahr‘ sind, d.h. reale Eigenschaften der Natur ausdrücken.“ Nobelpreisträger Eugene Wigner spricht von der „unergründlichen Wirksamkeit der Mathematik in den Naturwissenschaften“. Manchmal wird eine mathematische Theorie wie ein Kunstwerk geschaffen, ohne dass sie zunächst an konkrete Phänomene gebunden ist, und später zeigt sich, dass sie exakt auf die Natur oder andere Bereiche passt, ähnlich wie ein Schneider, der einen Anzug näht, ohne den Kunden je gesehen zu haben, der jedoch perfekt passt.

Der Wissenschaftler wird zu allen Zeiten von einer eigentümlichen erkenntnistheoretischen Überzeugung geleitet, die einer religiösen ähnelt – dem Glauben an die Erkennbarkeit der Welt, an die Möglichkeit, das „Buch der Natur“ zu lesen, das ihm die notwendige Sprache offenbart.

Weltanschauung und Methodologie in der modernen Naturwissenschaft

Von grundlegender Bedeutung ist die Frage nach dem Verhältnis von Weltanschauung und Methodologie. Historisch betrachtet standen in der Naturwissenschaft materialistische und idealistische (objektiv-idealistische und subjektiv-idealistische) weltanschauliche Plattformen gegenüber – die „Linie des Demokrit“ und die „Linie des Platon“.

Aus der Perspektive, die zum subjektiven Idealismus tendiert, eröffnet uns die naturwissenschaftliche Erkenntnis nicht die objektive Welt (die an sich „hypothetisch“ ist), sondern die Besonderheiten unseres Denkens, unserer gedanklichen Konstruktionen und Schemata. So argumentierte der philosophische subjektive Idealismus von George Berkeley, und ähnliche Ansätze finden sich im „physikalischen Idealismus“ von Ernst Mach sowie im Empiriokritizismus. Natürlich ist ein derartiger Ansatz in seinen extremen Ausprägungen für die Entwicklung der Wissenschaft äußerst gefährlich. Dennoch lassen sich in ihm reale Eigenschaften der Naturforschung erkennen, die sich auf den nichtklassischen und postnichtklassischen Stufen zeigten.

Aus der Perspektive des objektiven Idealismus, bei dem die materielle Welt als Produkt eines höheren, objektiv existierenden Geistes verstanden wird, ist die Erkenntnis der Welt zwangsläufig auf „ewig unbeantwortbare Fragen“ begrenzt, etwa nach dem Ursprung des Universums oder des Lebens. Ein anschauliches Beispiel ist die Position von Francis Crick, der bei der Verleihung des Nobelpreises für die Entdeckung der DNA-Struktur erklärte, dass er erfolgreich war, weil er sich bereits als Student auf das konzentrierte, was der Wissenschaft zugänglich ist – die Struktur – ohne die Frage zu stellen, die „im Bereich des Schöpfers liegt“: warum sie genau so beschaffen ist. Später stellte sich natürlich auch diese Frage: Warum hat die DNA-Struktur genau diese Form?

Es ist anzumerken, dass auch heute viele herausragende Wissenschaftler der Meinung sind, dass die moderne Naturwissenschaft auf die Existenz eines Schöpfers hinweist – andernfalls, wie ließe sich erklären, dass alles im Universum so eng miteinander verbunden und abgestimmt ist?

Für die Erforschung der Natur erscheint die materialistische Position am natürlichsten – sie zieht sich klar durch die gesamte Geschichte der Naturwissenschaft, wenngleich auch der extrem vereinfachte Materialismus nicht weniger gefährlich für die Entwicklung der Wissenschaft ist.

Die Analyse der modernen Situation in der Naturwissenschaft erlaubt es, von einer Auflösung der traditionellen Grenze zwischen Materialismus und Idealismus zu sprechen. In gewisser Weise ergänzen sie einander gegenseitig, was sich sowohl in der Methodologie der Forschung als auch in der Interpretation der erzielten Ergebnisse widerspiegelt.