Allgemeine Probleme der Wissenschaftsphilosophie

Struktur des wissenschaftlichen Wissens und Dynamik seiner Entwicklung

Prinzipien und Normen der Entwicklung wissenschaftlichen Wissens

Der Prozess der Entwicklung wissenschaftlichen Wissens wird durch drei Aspekte gekennzeichnet: 1) die Wechselwirkung zwischen Weltbild (Weltanschauung) und Erfahrungsfakten; 2) die Bildung primärer theoretischer Schemata und Gesetze; 3) die Entstehung einer ausgereiften Theorie.

Die Wechselwirkung zwischen Weltbild und Erfahrungsfakten kann auf zwei Arten erfolgen: erstens in der Phase der Entstehung eines neuen Wissensbereichs (einer wissenschaftlichen Disziplin) oder eines neuen Typs von Weltanschauung, und zweitens in theoretisch fortgeschrittenen Disziplinen beim empirischen Auffinden und Untersuchen grundsätzlich neuer Phänomene, die nicht in bestehende Theorien passen.

In der Entstehungsphase einer wissenschaftlichen Disziplin erfolgt die Ansammlung empirischen Materials und dessen erste Deutung. Häufig wird dabei das Schlussfolgern durch Analogie (Paradigma) angewendet. Ein Paradigma ist ein Gedankengang, der vom Besonderen zum allgemeinen Wahrscheinlichen und von diesem wiederum zum neuen Besonderen führt. Diese Methode begleitet und bedingt experimentelle Naturforschung. Bereits im 7. Jh. v. Chr. schlug Anaxagoras vor, dass, wenn ein erhitzter Stein der Sonne ähnelt, man annehmen könne, dass die Sonne ein großer erhitzter Stein sei. Im Jahr 1600 untersuchte der englische Wissenschaftler William Gilbert das Verhalten der Magnetnadel an verschiedenen Punkten eines kugelförmigen Magneten. Die gewonnenen Daten verglich er mit bekannten nautischen Beobachtungen zur Orientierung der Magnetnadel relativ zur Erde. Aus diesem Vergleich schloss Gilbert, dass die Erde ein kugelförmiger Magnet sei. Analog zur Vorstellung der Erde als „großer Magnet“ integrierte Gilbert Vorstellungen von den Planeten als magnetische Körper in das Weltbild. Er formulierte die Hypothese, dass die Planeten durch magnetische Anziehungskräfte auf ihren Bahnen gehalten werden, und führte den Begriff „Elektrizität“ in die Wissenschaftssprache ein. Damals wurde Kraft als Ergebnis der Berührung von Körpern betrachtet. Die neue Interpretation der Kraft bereitete den Boden für die spätere mechanische Weltanschauung, in der Fernwirkungen als Ursache von Bewegungsänderungen von Körpern verstanden wurden.

Die aus Beobachtungen gewonnenen Fakten können nicht nur das bestehende Weltbild verändern, sondern auch Widersprüche hervorrufen und eine Umgestaltung erforderlich machen. Erst nach längerer Entwicklungszeit wird das Weltbild von naturphilosophischen Überlagerungen bereinigt und zu einem wissenschaftlichen Weltbild, dessen Konstrukte aufgrund empirisch belegbarer Merkmale eingeführt werden.

In der Wissenschaftsgeschichte hat die Physik als erste diese Evolution durchlaufen. Im 17. Jahrhundert entwickelte sie das mechanische Weltbild. Entscheidenden Einfluss hatten dabei neue weltanschauliche Ideen und neue Ideale der Erkenntnistätigkeit, die sich in der Kultur der Renaissance und der Neuzeit herausgebildet hatten. In der Philosophie reflektiert, traten sie als Prinzipien auf, die eine neue Sicht auf zuvor gesammelte Fakten ermöglichten und die Schaffung eines neuen Systems von Weltvorstellungen gestatteten.

Von zentraler Bedeutung waren dabei das Prinzip der materiellen Einheit der Welt, das eine scholastische Trennung von irdischer und himmlischer Welt ausschloss, das Prinzip der Kausalität und Regelmäßigkeit natürlicher Prozesse sowie das Prinzip der experimentellen Begründung von Wissen und die Orientierung auf die Verbindung experimenteller Naturforschung mit der mathematischen Beschreibung ihrer Gesetze. Diese Prinzipien sicherten die Entwicklung des mechanischen Weltbildes und wurden zu dessen philosophischer Begründung.

Spätere Weltbilder in anderen Bereichen der Naturwissenschaften wurden vom physikalischen Weltbild als führender Disziplin beeinflusst und wirkten ihrerseits auf die Physik zurück. Innerhalb der Physik erfolgte die Entwicklung jedes neuen Weltbildes nicht durch das Aufstellen naturphilosophischer Schemata mit anschließender Anpassung an die Erfahrung, sondern durch die Transformation bereits bestehender physikalischer Weltbilder, deren Konstrukte aktiv in den folgenden theoretischen Synthesen genutzt wurden.

Die Wechselwirkung zwischen Weltbild und empirischem Material ist besonders wichtig, wenn die Wissenschaft bereits eine Schicht konkreter Theorien gebildet hat und Experimente und Beobachtungen Objekte aufdecken, die innerhalb der bestehenden theoretischen Vorstellungen nicht erklärbar sind. Neue Objekte werden mit empirischen Methoden untersucht, und das Weltbild beginnt, den Forschungsprozess zu steuern, während die Ergebnisse wiederum das Weltbild beeinflussen. Solange keine adäquate Theorie existiert, spielt das anerkannte Weltbild eine entscheidende Rolle bei der Auswahl von Fakten, der Durchführung von Experimenten und der Begründung der Wissenschaftlichkeit aufgestellter Hypothesen, neuer Begriffe und Prinzipien.

Die meisten Wissenschaften traten wesentlich später als die Physik in die Phase der Theoretisierung ein, die mit der Bildung konkreter theoretischer Modelle und Gesetze verbunden ist, welche die Fakten erklären. Daher dominieren in diesen Wissenschaften häufig empirische Suchsituationen, in denen das Weltbild die Funktion der theoretischen Programmierung der Erfahrung übernimmt und sich unter deren Einfluss entwickelt. Gleichzeitig können in der Wissenschaft alternative Weltbilder konkurrieren, von denen jedes als Forschungsprogramm dient und seine eigene Problemstellung sowie Interpretation des empirischen Materials anbietet. Beispiele hierfür sind: in der Biologie – die Hypothesen von Cuvier und Lamarck; in der Chemie – die Phlogistontheorie von Becher-Stahl und die Theorie der chemischen Elemente von Lavoisier; in der Geschichts- und Sozialwissenschaft – die Vorstellungen sozialer Realität von Marx. Ebenso entwickelten Toynbee und Sorokin unterschiedliche Aufgabenstellungen bei der Untersuchung konkreter historischer Situationen.

Arnold Toynbee (1889–1975) konzentrierte sich auf Fakten, die Besonderheiten jeder von ihm identifizierten Zivilisation aufzeigen könnten. Diese Fakten sollten die Idee eines zyklischen Charakters der zivilisatorischen Entwicklung stützen, basierend auf einer Hierarchie sozialer Werte und der Konzeption des Lebenssinns. Dementsprechend erfolgte die Auswahl und Interpretation der Fakten.

Pitirim Sorokin (1889–1968) legte ebenfalls Wert darauf, dass Historiker fundamentale Werte untersuchen, die den Typ einer Kultur und die entsprechenden sozialen Beziehungen bestimmen. Hier bestand die Hauptaufgabe darin, Fakten zu identifizieren, die eine Typologie der Kulturen stützen, die nach Sorokin drei Grundtypen der Weltwahrnehmung entsprechen: sinnlich, rational und intuitiv. Historiker und Soziologen, die dieses System übernehmen, analysieren, wie sich fundamentale Werte in verschiedenen Aspekten religiösen Lebens, philosophischen und ethischen Denkens, in Politik und Wirtschaft manifestieren.

Karl Marx (1818–1883) kam zu dem Schluss, dass das Wesentliche in der Untersuchung historischer Prozesse in der Analyse der Veränderung von Produktionsweisen, der Klassenstruktur der Gesellschaft und der Abhängigkeit des geistigen Lebens von den vorherrschenden Produktionsverhältnissen liegt. Die Geschichte der Menschheit wurde als Prozess des Wechsels gesellschaftlich-ökonomischer Formationen dargestellt.

Die Überprüfung der Prinzipien des Weltbildes unter dem Einfluss neuer Fakten erfordert stets die Bezugnahme auf philosophische und weltanschauliche Ideen. Dies gilt gleichermaßen für Natur- wie für Sozialwissenschaften.

Die Analyse verschiedener wissenschaftlicher Disziplinen erlaubt den Schluss, dass Erkenntnissituationen universell sind. Sie stehen im Zusammenhang mit der Funktion spezieller wissenschaftlicher Weltbilder als Forschungsprogramme, die den empirischen Suchprozess direkt steuern und sich unter dem Einfluss empirischer Fakten weiterentwickeln.

In der klassischen Wissenschaft bildet das Weltbild eine Bedingung für die Konstruktion theoretischer Schemata, die den Kern konkreter wissenschaftlicher Theorien darstellen. In theoretisch fortgeschrittenen Disziplinen erfolgt die Erklärung und Vorhersage empirischer Fakten nicht mehr unmittelbar auf der Grundlage des Weltbildes, sondern durch die Anwendung der entwickelten theoretischen Schemata (Modelle) und der damit verbundenen theoretischen Gesetze, die als vermittelndes Glied zwischen Weltbild und Erfahrung dienen.

In der fortgeschrittenen Wissenschaft werden theoretische Schemata zunächst als hypothetische Modelle erstellt und anschließend empirisch fundiert. Ihr Aufbau erfolgt durch die Nutzung abstrakter Objekte, die zuvor im Bereich theoretischen Wissens gebildet wurden und als Material für die Schaffung neuer Modelle dienen.

Ein Beispiel ist die Entwicklung des planetarischen Atommodells: Vorstellungen vom Zentrum potenziell abstoßender Kräfte innerhalb des Atoms (dem Kern) und den Elektronen wurden aus der Mechanik und Elektrodynamik entlehnt. 1904 stellte der Physiker H. Nagaoka das planetarische Atommodell als Hypothese auf. 1912 wurde es durch die Generalisierung der Ergebnisse von Rutherfords Experimenten bestätigt.

Damit stellt sich die Frage nach den Ausgangsprämissen, die den Forscher bei der Wahl und Synthese der Hauptkomponenten einer Hypothese leiten. Diese Grundlagen werden in der Regel vom akzeptierten Weltbild bereitgestellt, das allgemeine Vorstellungen über die Struktur natürlicher Wechselwirkungen liefert und die Entdeckung gemeinsamer Merkmale in verschiedenen wissenschaftlichen Bereichen ermöglicht.

Das Weltbild „weist den Weg“, aus welchen Quellen abstrakte Objekte übernommen werden können und wie ihre Verbindung zur Konstruktion eines hypothetischen Modells einer neuen Wechselwirkungsdomäne führt. Analogie wird genutzt, um bekannte Strukturen mit neuen Elementen zu verbinden. So entsteht ein hypothetisches Modell, das die wesentlichen Merkmale des neuen Untersuchungsbereichs ausdrückt. Diese Operationen können als konstruktive Einführung von Objekten in die Theorie bezeichnet werden, das theoretische Schema als konstruktiv begründet.

Die konstruktive Begründung einer Hypothese (W. S. Stepin) führt zu einer schrittweisen Umstrukturierung der ursprünglichen theoretischen Schema-Varianten, bis sie an das entsprechende empirische Material angepasst sind. Das rekonstruierte und empirisch fundierte Schema wird erneut mit dem Weltbild abgeglichen, wodurch dieses weiter präzisiert und entwickelt wird. Zum Beispiel wurden nach Rutherfords Bestätigung der Vorstellungen über den Atomkern diese in das physikalische Weltbild integriert, wodurch neue Forschungsfragen entstanden – die Struktur des Kerns, Eigenschaften der „Kernmaterie“ usw. Dabei zeigte sich, dass die Eigenschaft des Elektrons, „auf einer Umlaufbahn um den Kern zu kreisen“, im Widerspruch zu einer anderen fundamentalen Eigenschaft steht – „bei beschleunigter Bewegung Strahlung abzugeben“. Da Bewegung auf einer geschlossenen Bahn beschleunigt ist, müsste das Elektron Strahlung abgeben, Energie verlieren und auf den Kern stürzen. Somit wäre der Atom nach dem planetarischen Modell instabil. Das Schwachglied des Modells – die Vorstellung von der Elektronenbahn – wurde erkannt. Dieses abstrakte Objekt, in der Hypothesenbildung eingeführt, hatte keinen experimentellen Korrelat. Das Bestreben, das nicht-konstruktive Element „Elektronenbahn“ zu lokalisieren und zu eliminieren, gestützt auf die Analyse der Atomexperimente, war der Hauptimpuls zur Umgestaltung von Rutherfords Modell zum quantenmechanischen Atommodell.

Die Generierung neuen theoretischen Wissens erfolgt somit durch einen Erkenntniszyklus: Der Gedanke bewegt sich von den wissenschaftlichen Grundlagen, insbesondere von empirisch fundierten Vorstellungen des Weltbildes, zu hypothetischen Varianten theoretischer Schemata. Diese Schemata werden dann an das empirische Material angepasst, das sie erklären sollen. Während dieses Anpassungsprozesses werden die theoretischen Schemata umgebaut, mit neuen Inhalten angereichert und erneut mit dem Weltbild abgeglichen, wodurch dieses aktiv beeinflusst wird. Die Entwicklung wissenschaftlicher Begriffe und Vorstellungen erfolgt durch wiederholtes Durchlaufen dieses Zyklus, in dem „Logik der Entdeckung“ und „Logik der Hypothesenbegründung“ – miteinander verbundene Aspekte der Theorieentwicklung – interagieren. Die Begründung führt zur Weiterentwicklung des Inhalts wissenschaftlicher Begriffe und bildet die konzeptuellen Mittel für die Erstellung zukünftiger hypothetischer Modelle und eines neuen Weltbildes.

Ein neues System von Vorstellungen über die Realität tritt nicht sofort aus der hypothetischen Phase hervor und wird nicht sofort von der Mehrheit der Forscher akzeptiert. Viele halten an einem alten Weltbild fest, das in früheren Phasen wissenschaftlicher Entwicklung empirisch, theoretisch und philosophisch fundiert wurde. Diskrepanzen zwischen diesem Weltbild und neuen theoretischen Modellen oder Experimentergebnissen werden von diesen Forschern als vorübergehende Anomalien angesehen, die in Zukunft durch Anpassung theoretischer Schemata und Entwicklung neuer Modelle zur Erklärung der Erfahrung behoben werden können.

Die Entwicklung theoretischen Wissens auf der Ebene einzelner theoretischer Schemata und Gesetze bereitet den Übergang zur Konstruktion einer ausgereiften Theorie vor. Die Ausgangsprogramme des theoretischen Syntheseprozesses werden durch die vom Forscher akzeptierten Erkenntnisideale und das Weltbild vorgegeben, das die Aufgabenstellung und die Wahl der Mittel zu deren Lösung bestimmt. In der modernen Wissenschaft gelten als Ideale für die zu entwickelnde Theorie: 1) Erklärung verschiedener Phänomene mittels einer geringen Zahl fundamentaler Gesetze; 2) Organisation der Theorie als deduktives System, in dem Gesetze in mathematischer Sprache formuliert werden.

Eine universelle Operation bei der Entwicklung neuer Theorien, sowohl bei der Bildung einzelner theoretischer Schemata als auch bei deren Verallgemeinerung zu einer ausgereiften Theorie, ist die Anwendung von Analogien. Sie ermöglichen die Übertragung bekannter Gleichungen auf neue Situationen, wodurch deren physikalische Bedeutung verändert wird und neue abstrakte Objekte eingeführt werden. Zum Beispiel nutzten Ampère und Weber bei der Suche nach einer verallgemeinernden Theorie des Elektromagnetismus analoge Modelle und mathematische Strukturen aus der Newtonschen Mechanik materieller Punkte. Maxwell baute unter Berücksichtigung von Faradays Arbeiten analoge Modelle auf, basierend auf der Mechanik kontinuierlicher Medien und den entsprechenden hydrodynamischen Gleichungen. Das Ergebnis war die Vorstellung des elektrischen Feldes als eigenständige Substanz und die Beschreibung der Ausbreitung elektromagnetischer Wellen.

Der Prozess der Aufstellung wissenschaftlicher Hypothesen weist mehrere Besonderheiten auf. Erstens kann die Suche nach einer Hypothese nicht auf das Verfahren von Versuch und Irrtum reduziert werden. Bei der Hypothesenbildung spielen die vom Forscher akzeptierten Grundlagen eine wesentliche Rolle, da sie die kreative Suche leiten, Forschungsfragen generieren und den Rahmen der Mittel zu deren Lösung abstecken. Jeder Forscher verfügt über ein bestimmtes Weltbild – ein System modellhafter Vorstellungen, durch das neue Situationen betrachtet werden. Diese Modellvorstellungen liefern ein Bild der Struktur (Gestalt), das auf ein neues Forschungsfeld übertragen wird und die zuvor gesammelten Wissenselemente über dieses Feld (Begriffe, Idealisierungen etc.) neu organisiert.

Zweitens ist die Bildung einer Hypothese kein rein individuelles kreatives Werk des Wissenschaftlers. Die Hypothesensuche, einschließlich der Auswahl von Analogien und der Einfügung neuer abstrakter Objekte in das Analogiemodell, wird nicht nur durch historisch gewachsene Methoden theoretischer Forschung determiniert. Sie wird auch durch Vorbilder wissenschaftlicher Tätigkeit bestimmt, die die Lösung neuer Aufgaben ermöglichen. Solche Vorbilder werden in das Wissen integriert und im Lernprozess verinnerlicht. Die Weitergabe theoretischen Wissens bedeutet daher auch die Vermittlung von Handlungsmustern zur Problemlösung. Neue Hypothesen entstehen meist nach dem Schema: Weltbild → Analogiemodell → Einfügung neuer abstrakter Objekte in das Modell. Bestätigte Hypothesen entwickeln sich zu Theorien. Daher ist die Logik der Bildung hypothetischer Modelle ein Bestandteil der Logik der Theoriebildung.

Drittens basiert die Hypothesenbildung auf der Verbindung abstrakter Objekte aus einem Wissensbereich mit einer Struktur, die aus einem anderen Wissensbereich übernommen wird. In diesem neuen Beziehungssystem werden den abstrakten Objekten neue Eigenschaften zugewiesen, wodurch die hypothetische Modellbildung neues inhaltliches Wissen ermöglicht, das sich auf noch nicht erforschte Zusammenhänge beziehen kann.

Mit Hilfe analoger Modelle wird ein verallgemeinerndes hypothetisches Modell entwickelt, das die Interpretation der untersuchten Phänomene ermöglichen und die theoretischen Schemata des entsprechenden Wissensblocks integrieren soll. Damit endet die Begründung jedoch nicht. Es muss sichergestellt werden, dass die neue Verallgemeinerung den bisherigen konstruktiven Inhalt nicht zerstört. Dazu muss gezeigt werden, dass das neue theoretische Modell die vorherigen Modelle als Sonderfälle enthält. Diese Prozedur wird in der Methodologie der Wissenschaft gelegentlich als „Prinzip der Komplementarität“ bezeichnet – die vielversprechendste Hypothese ist diejenige, die die vorherige Theorie als Sonderfall einschließt.

Beispielsweise wurde in der abschließenden Phase der Entwicklung der Theorie des elektromagnetischen Feldes gezeigt, dass auf Basis des theoretischen Modells des elektromagnetischen Feldes die theoretischen Schemata der Elektrostatik, des Gleichstroms und der elektromagnetischen Induktion als Spezialfälle abgeleitet werden können. Aus den Gleichungen des elektromagnetischen Feldes lassen sich die Gesetze von Coulomb, Ampère, Biot–Savart sowie die Gesetze der elektro- und elektromagnetischen Induktion ableiten, die Faraday entdeckte.

Der Prozess der Theoriebildung in der abschließenden Phase wird in umgekehrter Reihenfolge wiederholt – in Form der Entfaltung der Theorie und der Ableitung von Konsequenzen aus den Grundsätzen. Jede solche Ableitung kann als Darstellung einer Methode und eines Ergebnisses der Lösung theoretischer Aufgaben betrachtet werden. Auf diese Weise werden Handlungsmuster automatisch in die Theorie integriert, während sie entsteht. Der Betrieb der Theorie führt zwangsläufig zur Bildung neuer Handlungsmuster, die zusammen mit den bereits eingeführten in die Theorie aufgenommen werden.

Eine der wichtigsten Formen der Entwicklung wissenschaftlichen Wissens ist das Problem. Die Problemstellung setzt die Existenz eines Unbekannten voraus. Gleichzeitig muss dieses „Etwas“ in gewisser Weise hervorgehoben werden. Das Hauptmerkmal eines Problems ist die Identifikation der Grenze zwischen Wissen und Unwissen.

Problemsituationen treten sowohl in der praktischen Tätigkeit als auch in der Wissenschaft selbst auf. Die Formulierung einer wissenschaftlichen Problemstellung stützt sich auf die Analyse der Problemsituation in einem bestimmten Forschungsbereich. Ein Problem muss nicht nur bezeichnet, sondern auch formuliert und begründet werden, damit es als wissenschaftlich anerkannt wird. Dazu muss es so weit wie möglich von subjektiven, individuellen und emotionalen Elementen bereinigt und in der Fachsprache des entsprechenden wissenschaftlichen Bereichs ausgedrückt werden.

Die Bestimmung der Problemstellung wissenschaftlicher Untersuchungen erfordert ein tiefes Verständnis der Entwicklungstendenzen von Praxis und Wissenschaft. Die Formulierung großer und bedeutender Probleme kann die Entwicklung ganzer Wissenschaftsbereiche über viele Jahre oder sogar Jahrzehnte bestimmen.

Für den Wissenschaftler ist es entscheidend, das Problem zu bewerten. Im Gegensatz zu Sachwissen können Probleme weder wahr noch falsch sein. Sie werden nach anderen Kriterien beurteilt – Bedeutung, Wichtigkeit, Relevanz und Lösbarkeit.