Philosophie der Naturwissenschaften

Philosophische und theoretische Grundlagen der Entstehung klassischer naturwissenschaftlicher Disziplinen

Weltanschauliche und methodologische Prinzipien der klassischen Naturwissenschaft

Der klassische Typ wissenschaftlicher Rationalität, der die weitere Entwicklung der europäischen Wissenschaft als exakte experimentelle Naturwissenschaft prägte, bildete sich gegen Ende des 18. Jahrhunderts heraus. Eine wesentliche Voraussetzung für die experimentelle Naturwissenschaft war das Streben der Wissenschaftler nach genauen Messungen, was in der Neuzeit zur Entwicklung mathematischer Methoden zur Beschreibung von Bewegungen führte. In der Antike und im Mittelalter galt es als unmöglich, genaue Messungen dort vorzunehmen, wo Materie beteiligt ist. Die Mathematik als exakte Wissenschaft beschäftigte sich ausschließlich mit idealen Objekten, nicht mit natürlichen Phänomenen.

Im 18. Jahrhundert systematisierte der Petersburger Akademiker Leonhard Euler (1707–1783) sämtliche Errungenschaften der Mathematik und entwickelte analytische Methoden in der Anwendung auf die newtonsche Dynamik der materiellen Punkte. Sein Werk „Mechanik oder Wissenschaft von der Bewegung, analytisch dargelegt“ hatte erheblichen Einfluss auf die Begründer der Analysis Joseph-Louis Lagrange (1736–1813), Carl Friedrich Gauß (1777–1855) und Pierre-Simon Laplace (1749–1827). Dies war von entscheidender Bedeutung für die Gestaltung der modernen Naturwissenschaft in ihrer klassischen Form.

Die weltanschaulichen und methodologischen Grundlagen des klassischen Systems der exakten experimentellen Naturwissenschaft lassen sich wie folgt zusammenfassen:

1. Als Grundlage aller beobachteten Naturphänomene wird ausschließlich die mechanische Wechselwirkung von Körpern angenommen. Jede Bewegung wird als Verschiebung von Körpern im dreidimensionalen Raum in Abhängigkeit von der Zeit betrachtet. Es gilt das Prinzip der Fernwirkung, nach dem die Kraftwirkung auf Körper unmittelbar übertragen wird; ein Zwischenmedium beeinflusst die Kraftwirkung nicht, welche auch im Vakuum wirksam sein kann, wie beispielsweise die Gravitation.
2. Die Beschreibung und Untersuchung mechanischer Wechselwirkungen beschränkt sich auf die mathematische Darstellung der Bewegung materieller Punkte, basierend auf den Werten der Variablen und deren Funktionen über die Zeit. Die grundlegenden Berechnungsparameter der Bewegung sind die Koordinaten x, y, z sowie die Zeit t, die Ableitungen der Koordinaten nach der Zeit – die momentane Geschwindigkeit v = ∂x/∂t und die Beschleunigung a = ∂v/∂t = ∂²x/∂t² – sowie die Kraft F, die neben dem Betrag auch eine variable Richtung aufweist. Für Systeme, die durch lineare Gleichungen beschrieben werden, hat das Superpositionsprinzip fundamentale Bedeutung: Der resultierende Effekt mehrerer unabhängiger Kräfte ist die Summe der von jeder einzelnen Kraft verursachten Effekte.
3. Die allgemeine weltanschauliche Grundlage der exakten experimentellen Naturwissenschaft ist die Vorstellung von Raum und Zeit, formuliert in der Naturphilosophie Newtons, die als substanzielle Konzeption von Raum und Zeit bekannt wurde. Raum (assoziiert mit dem Vakuum), Zeit und Materie, bestehend aus Korpuskeln (d. h. diskrete, atomare Natur), existieren als unabhängige, sich nicht beeinflussende Substanzen. Der Raum wird absolut (als Behältnis der Welt) und relativ (als reales dreidimensionales Mess- und mathematisch darstellbares Koordinatensystem) verstanden. Eigenschaften des Raums sind Ausdehnung, Homogenität und Kontinuität.
4. Die Zeit wird ebenfalls dual verstanden: absolut – als reiner Anfang (reine Dauer) und real – als Ablauf der Ereignisse. Eigenschaften der Zeit sind Dauer, Kontinuität, Homogenität (zeitliche Gleichförmigkeit) und Unumkehrbarkeit (als Eindeutigkeit und Richtung kausaler Zusammenhänge).
5. Realer Raum und reale Zeit besitzen bestimmte Dimensionen und werden in entsprechenden Einheiten gemessen. Es gilt das Prinzip der Invarianz der Naturgesetze. Nach diesem Prinzip ändern sich die in Form der mechanischen Gesetze formulierten Naturgesetze nicht mit der Zeit und spiegeln die Homogenität der Zeit wider. Die Naturgesetze sind außerdem unabhängig vom Bezugssystem (ruhend oder gleichmäßig bewegt) sowie von dessen Verschiebung oder Drehung. Alle Vorgänge in einem abgeschlossenen physikalischen System erfolgen gleich, unabhängig davon, ob es an einen anderen Ort verschoben oder um einen bestimmten Winkel gedreht wird. Zusammen mit dem Invarianzprinzip gilt das Symmetrieprinzip der Naturgesetze, das sich aus der Homogenität des Raums (Gleichwertigkeit aller Punkte) und seiner Isotropie (Gleichwertigkeit aller Richtungen) ableitet.
6. Das wichtigste methodologische Prinzip der exakten experimentellen Naturwissenschaft ist der mechanistische Determinismus (lat. determino – bestimmen), verbunden mit der Annahme einer strikten Kausalität der Ereignisse, die mit der Notwendigkeit der Natur gleichgesetzt wird. Es wird angenommen, dass die Ursachen aller beobachteten Phänomene streng und eindeutig durch die Gesetze der Mechanik mathematisch beschrieben werden können und dass jedes Ereignis exakt vorhergesagt werden kann.
7. In klassischer Form wurde der mechanistische Determinismus vom französischen Wissenschaftler Pierre-Simon Laplace entwickelt, der in der Himmelsmechanik Newtons das Muster vollendeten wissenschaftlichen Wissens sah. In seinem „Traité de mécanique céleste“ zeigte Laplace, dass das newtonsche Gesetz der universellen Gravitation unter Berücksichtigung der gegenseitigen Störungen der Planeten deren beobachtbare Bewegung vollständig erklärt. Die laplacesche Formulierung der Kausalität betonte die absolute Genauigkeit der Vorhersage jedes Naturereignisses: Hätte es einen Geist gegeben, der in jedem Moment über alle Kräfte der Natur an deren Angriffspunkten informiert wäre, gäbe es nichts, das für ihn unsicher wäre, und Zukunft sowie Vergangenheit würden vor ihm liegen. Diese Position wird als laplacescher Determinismus bezeichnet.
8. Gleichzeitig leistete Laplace einen bedeutenden Beitrag zur Entwicklung der mathematischen Wahrscheinlichkeitstheorie. Das Interesse an probabilistischen Bewertungen entstand Mitte des 18. Jahrhunderts. Die zweite Hälfte des Jahrhunderts war durch die Entwicklung der Variationsrechnung durch Joseph-Louis Lagrange gekennzeichnet. In Laplaces Werk „Théorie analytique des probabilités“ wurde erstmals die Methode eines probabilistischen Ansatzes für physikalische Probleme vorgestellt. Als Einführung zu seiner Theorie legte Laplace jedoch den „Essai philosophique sur les probabilités“ vor, in dem er das Prinzip des mechanistischen Determinismus formulierte, das er als methodologisches Prinzip für den Aufbau jeder Wissenschaft betrachtete.
9. Das Streben nach höherer Genauigkeit bei Beobachtungen sowie die Verbesserung von Methoden und Instrumenten in der Astronomie machten Berechnungen und mathematische Kalkulationen zu ebenso wichtigen Methoden wie Beobachtung und Messung. Im 18. Jahrhundert beschäftigten sich Mathematiker wie Alexis Clairaut, Jean le Rond d’Alembert und Pierre-Simon Laplace mit astronomischen Problemen. Sie entwickelten mathematische Methoden, die später die Grundlage der theoretischen Astronomie bildeten. Im 18. Jahrhundert ermöglichten sie die Berechnung der Masse von Erde und Sonne, die Entfernung zwischen ihnen, die Größe des Sonnensystems und die Entfernung zu den nächsten Sternen, was die Perspektive für die Erforschung der Struktur des Kosmos weit über das Sonnensystem hinaus eröffnete.
10. In seiner Arbeit „Exposition du système du monde“ (1796) bewies Laplace mithilfe der Methoden der newtonschen Himmelsmechanik mathematisch die Stabilität des Sonnensystems und die Beschleunigung der Mondbewegung, sagte die Möglichkeit existierender kollabierender Sterne voraus und entwickelte die Theorie über die Entstehung des Sonnensystems aus einer ursprünglichen, langsam rotierenden Nebelwolke, die sich weit über das später entstandene Sonnensystem hinaus erstreckte.
11. Die Universalität der klassischen analytischen Mechanik wird durch das Prinzip der kleinsten Wirkung unterstrichen, formuliert vom französischen Mathematiker, Physiker und Philosophen Pierre-Louis Moreau de Maupertuis (1698–1759), der nach einem Besuch in England 1728 zu einem der energischsten Verteidiger der Ideen Newtons in Kontinentaleuropa wurde. Maupertuis hielt die kartesische Erhaltung des Bewegungsquantums und das Leibnizsche Gesetz der Erhaltung der Lebenskraft für unzureichend, um alle Naturerscheinungen zu erklären, und wandte sich der Mechanik Newtons zu. Er führte das Konzept der Wirkung ein und formulierte das Prinzip der ökonomischsten (in diesem Sinne – kleinsten) Wirkung: „Wenn in der Natur eine Veränderung stattfindet, ist die für diese Veränderung aufgewendete Bewegungsmenge immer die kleinste mögliche.“
12. Das Prinzip der kleinsten Wirkung, weiterentwickelt von Euler und Lagrange, bildete die Grundlage einer neuen Variationsrechnung in der Mathematik. Die umfassendste und ausgereifteste Form erhielt es durch Hamilton. Seither gilt das Prinzip der kleinsten Wirkung als fundamentales Prinzip zur Erklärung nicht nur mechanischer, sondern beliebiger physikalischer Phänomene.
13. Außerhalb der mathematischen Formeln, die die Gesetze der Mechanik ausdrücken, lagen Phänomene wie Wärme, Elektrizität, Magnetismus sowie das Leben selbst. Dennoch blieb der Hauptantrieb der klassischen Naturwissenschaft das Bestreben, alle Phänomene durch mechanische Kräfte und Bewegung zu erklären, was zur Einführung theoretischer Konstrukte wie „Fluide“, „Caloric“, „Äther“ und „Phlogiston“ führte, die mit Wärmeleitung, Gravitation, Elektrizität und Magnetismus verbunden wurden.