Physikalisches Gesetz

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Ein physikalisches Gesetz beschreibt in allgemeiner Form, wie die physikalischen Größen, welche die Zustände eines physikalischen Systems charakterisieren, miteinander zusammenhängen und sich gegebenenfalls ändern. Im Allgemeinen wird dies in mathematischer Form ausgedrückt.

Innerhalb seines Gültigkeitsbereichs gilt ein physikalisches Gesetz ohne Ausnahme. Der Gültigkeitsbereich eines physikalischen Gesetzes wird durch gezielte physikalische Experimente und Beobachtungen geprüft. Wenn deren Ergebnisse mit den aufgrund des Gesetzes ermittelten Erwartungen übereinstimmen, gilt das Gesetz als bestätigt.

Jedes physikalische Gesetz ist immer Teil einer physikalischen Theorie, die einheitlich und widerspruchsfrei sein soll. Eine Theorie, deren Vorhersagen noch nicht bestätigt werden konnten, lässt sich genauer mit dem Begriff Hypothese charakterisieren (wie beispielsweise die Stringtheorie). Eine geschlossene Theorie ist die Gesamtheit von Gesetzen, die ein ganzes Gebiet vollständig beschreiben. So beschreiben z. B. die Maxwellschen Gleichungen - in ihrem Gültigkeitsbereich - die gesamte klassische Elektrodynamik.

Die wissenschaftlich akzeptierten physikalischen Gesetze bestimmen das derzeit vorherrschende materielle Weltbild. Es steht im Gegensatz zu einem Weltbild, in dem Naturgesetze jederzeit fallweise durch andersartige Einwirkungen (z. B. durch den Willen höherer Wesen) übertreten werden können.

Zeitgenössische philosophische Standpunkte zum Begriff des Naturgesetzes[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Physik beschreibt Verhaltensregularitäten ihrer Beobachtungsobjekte, ohne darüber Auskunft zu geben, wie sich Naturgesetze in ein umfassendes Weltbild einfügen könnten. Diese Aufgabe übernimmt die Metaphysik bzw. Naturphilosophie. Die Bezeichnung Natur„gesetz“ legt womöglich nahe, die Natur verhalte sich ähnlich wie eine Person unter dem Zwang von Gesetzen, die ein intelligentes Wesen erlassen hat. Eine solche Vorstellung wird als Okkasionalismus bezeichnet. Dabei sind Naturgesetze Handlungsregeln Gottes, die dieser zu bestimmten (allerdings berechenbaren) Gelegenheiten aus seinem freien Willen heraus wahr werden lässt. So eine Denkweise wurde im 17. Jahrhundert diskutiert, ist aber aufgrund des methodischen Atheismus innerhalb der Wissenschaftstheorie heute praktisch bedeutungslos. In der gegenwärtigen, naturalistischen Naturphilosophie bzw. Metaphysik werden hauptsächlich drei Ansätze diskutiert, die Naturgesetze im modernen physikalischen Sinne beschreiben sollen: Die Regularitätstheorie, welche etwa von David Kellogg Lewis in Anlehnung an David Hume formuliert wird, die anti-Humesche Theorie von Fred Dretske, Michael Tooley und David Armstrong (DTA-Theorie), sowie die dispositionale Theorie, welche etwa von Alexander Bird vertreten wird. Die Debatte wird unter anderem darüber geführt, ob Naturgesetze eine modale Kraft besitzen, also aufgrund einer bestimmten Ursache eine bestimmte Wirkung erzwingen können oder ob sie tatsächlich bloße Beschreibungen beobachteter, aber letztendlich willkürlicher Regularitäten in der Welt sind. Die Regularitätstheorie steht auf letzterem Standpunkt. Sie sieht die Welt metaphorisch als ein Mosaik aus isolierten Einzelfakten, die zwar insgesamt ein Muster ergeben mögen, in dem die Einzelfakten aber dennoch in keinem notwendigen, d. h. im eigentlichen Sinne gesetzmäßigen, Zusammenhang stehen. Anhänger der DTA-Theorie nehmen eine Gegenposition ein. Die Dispositionalisten hingegen verstehen Naturgesetze als Dispositionen, d. h. als natürliche Neigungen der einzelnen Objekte, bestimmte Verhaltensweisen zu zeigen.

Eng verbunden mit der Diskussion um das Verständnis von Naturgesetzen ist die Debatte um das Verhältnis von Ursache und Wirkung zum modernen Verständnis von Naturwissenschaft: So beschreibt etwa das sogenannte Russell-Mach-Problem den scheinbaren Widerspruch zwischen der intuitiven Annahme einer zeitlich unumkehrbaren Kausalität und der prinzipiellen Umkehrbarkeit und Zeitlosigkeit von modernen physikalischen Gesetzen.

Ein bekannt gewordener und häufig diskutierter Ansatz zur Darstellung der Art und Weise, wie Naturgesetze einzelne Ereignisse erklären, liefert das Hempel-Oppenheim-Schema.

Diskussionsgegenstand ist weiterhin, inwiefern es prinzipiell nur physikalische Naturgesetze gibt oder ob auch Regeln und Gesetze anderer Wissenschaften Naturgesetze mit vergleichbaren strengen Geltungsanspruch sein können. Versuche, unabhängige Naturgesetze, etwa in der Biologie oder der Psychologie, als Spezialfälle allgemeiner physikalischer Gesetze zu verstehen, werden in der Literatur als eine Art von Reduktionismus bezeichnet. Ein Argument für den Reduktionismus ist etwa, dass die Physik den Anspruch erhebe, in der gesamten Wirklichkeit gültig zu sein, während die anderen Wissenschaften nur begrenzte Spezialgebiete der Welt zum Gegenstand haben, also sogenannte special sciences seien. Ein moderner Vertreter einer Reduktion dieser Art ist etwa der Wissenschaftstheoretiker Ernest Nagel. Die Frage, wie denn in einem physikalistischen Weltbild die Erkenntnisse und Regeln der übrigen Wissenschaften einzuordnen sind, führt in der Philosophie zur Ausformulierung unterschiedlicher Konzepte von Emergenz und Supervenienz. Zentraler Diskussionsgegenstand ist die Vorstellung von multipler Realisierbarkeit gleichartiger biologischer oder sozialer Phänomene, ausgehend von unterschiedlichen physikalischen Grundlagen. So kann von zwei Kirchen eine aus Holz und eine aus Stein bestehen, also offensichtlich unterschiedliche physikalische Grundlagen haben. Dennoch werden sie aus soziologischer, religionswissenschaftlicher oder theologischer Sicht als zwei Vertreter der gleichen Gattung von Forschungsobjekt gelten. Ebenso kann ein Buch als gedrucktes Exemplar, als E-Book oder als Hörbuch vorliegen, aber dennoch literaturwissenschaftlich als gleiches Werk angesehen werden. Eine gemäßigte Form des Physikalismus geht davon aus, dass identische physikalische Grundlagen zu gleichen nicht-physikalischen Folgen führen, aber umgekehrt unterschiedliche physikalische Grundlagen zu gleichartigen Objekten anderer Wissenschaften führen können, also auf multiple Weise realisierbar sind. Diese Position, bekannt als Funktionalismus, ist in der Wissenschaftstheorie heute weit verbreitet und wurde ursprünglich von Hilary Putnam und Jerry Fodor formuliert, um das Verhältnis von psychologischen Geschehnissen wie Gefühlen und Gedanken durch neurologische Vorgänge zu verstehen. Aufgrund der Argumente von Putnam und Fodor vertritt etwa Elliott Sober eine gemäßigte Form von Reduktionismus in der Biologie.

Naturgesetze als Spiegel des wissenschaftlichen Fortschritts[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Der wissenschaftliche Fortschritt in der Physik besteht oft darin, dass scheinbar unabhängige Gesetze in einem größeren Zusammenhang auf eine gemeinsame Grundlage zurückgeführt werden. Ein Beispiel hierfür sind die zahlreichen Kräfte der Mechanik und die Gesetze ihres Wirkens, die letzten Endes sämtlich auf elektromagnetische Wechselwirkungen auf atomarem Niveau und auf die Gravitation zwischen und in den beteiligten Körpern zurückgeführt werden können.

Eine andere Art des wissenschaftlichen Fortschritts zeigt sich etwa im Übergang von der klassischen Mechanik zur Relativitätstheorie. Hier wurden Begriffe und Gesetze, die als unumstößlich und allgemeingültig angenommen worden waren, als nur näherungsweise gültiges Modell für ein begrenztes Gebiet erkannt, in diesem Fall für kleine Geschwindigkeiten und Massen.

In diesem Sinne wird nach „letzten“ grundlegenden und allgemeingültigen Gesetzen gesucht. Stringtheorie, Quantengravitation und Große vereinheitlichte Theorie gelten als Beispiele für diese Bemühungen, sind aber bisher noch hypothetisch. Ein Weltgesetz, mit dem „alles“ erklärt und aufgebaut werden kann, wäre vergleichbar den Axiomen der Mathematik.

Beispiel: Formulierung eines Gesetzes[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Um die Vorgänge exakt zu beschreiben, werden Naturgesetze meist mathematisch formuliert. Ein Beispiel dafür ist das Gravitationsgesetz von Isaac Newton. Es lautet: Die Anziehungskraft F zwischen zwei Massen und ist proportional der Größe der Massen und umgekehrt proportional zum Abstandquadrat .

G ist dabei ein Proportionalitätsfaktor, der die Massen und und das Inverse des Abstandsquadrats miteinander in Relation setzt. Da dieser als Gravitationskonstante bezeichnete Faktor in allen untersuchten physikalischen Systemen den exakt gleichen Wert besitzt und eine fundamentale physikalische Wechselwirkung (die Anziehung von Massen untereinander) beschreibt, spricht man von einer Naturkonstanten.

Beispiele für Naturgesetze[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Abgrenzung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Abgrenzung zwischen Naturgesetzen und anderen bestätigten oder bewiesenen Theoremen ist nicht immer ganz scharf.

Viele mathematische Sätze haben Implikationen und Anwendungen, die in der Naturwissenschaft oder im Ingenieurwesen von zentraler Bedeutung sind. So ist der Satz Die Winkelsumme im Dreieck in der Ebene beträgt 180 Grad kein Naturgesetz, sondern ein mathematischer Lehrsatz, der auf gewissen Grundaxiomen der Geometrie beruht.

In den angewandten Wissenschaftszweigen und der Technik verwendet man zudem zahlreiche Formeln, die gewisse Zusammenhänge zwischen physikalischen Messgrößen hinreichend exakt beschreiben, ohne dass die zugrunde liegenden Zusammenhänge eindeutig klar sind. Sie ergeben für die bekannten Anwendungsfälle angenäherte Werte mit einer Genauigkeit, die für den Anwendungszweck ausreicht (Erfahrungswerte). Solche Formeln werden empirische Formeln oder empirische Gesetze genannt. Diese Formeln sind keine Gesetzmäßigkeiten im physikalischen Sinne, ihnen fehlt die theoretische Grundlage. Teilweise handelt es sich jedoch um Idealfälle oder Vereinfachungen von Naturgesetzen, deren Ungenauigkeit sich in bekanntem Rahmen hält, und für eine spezifische Anwendung hinreichend genau ist. Andererseits müssen empirische Formeln oder Formelsätze aber nicht einmal unbedingt auf die korrekten Einheiten Rücksicht nehmen und benutzen oft ebenso empirische Kenngrößen (dimensionslose Kennwerte). Einen Extremfall davon bilden sogenannte Faustregeln.

Literatur[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  • Gerhard Vollmer: Was sind und warum gelten Naturgesetze? - Philosophia naturalis, Journal for the Philosophy of Nature, Dez. 2000, Band 37/2 - (Zusammenfassung; PDF-Datei; 426 kB)
  • Erwin Schrödinger: Was ist ein Naturgesetz? - Beiträge zum naturwissenschaftlichen Weltbild - 5. Aufl. - München : Oldenbourg, 1997. (Scientia nova) - ISBN 3-486-56293-2
  • David Armstrong: What Is a Law of Nature?, Cambridge University Press, 1983 S. L. Goldman: Review
  • Alfred Jules Ayer: What is a law of nature?, in: Revue Internationale de Philosophie 10 (1956), 144-65, auch in: Curd/Cover 1998
  • Helen Beebee: The Non-Governing Conception of Laws of Nature, in: Philosophy and Phenomenological Research 61 (2000), 571-594.
  • Nancy Cartwright: How the Laws of Physics Lie, Oxford University Press 1983
  • M.Curd, J. A. Cover (Hgg.): Philosophy of Science: The Central Issues, W.W. Norton & Company 1998, v.a. 808-877
  • Fred Dretske: Laws of Nature, in: Philosophy of Science 44 (1977), 248-268.
  • John Foster: The Divine Lawmaker: Lectures on Induction, Laws of Nature, and the Existence of God, Oxford: Clarendon Press, 2004. Evan Fales: Review, in: Notre Dame Philosophical Reviews 2004
  • R.N. Giere: Science Without Laws, Chicago: University of Chicago Press 1999
  • Carl Gustav Hempel: Aspects of Scientific Explanation, New York: Free Press 1965
  • William Kneale: Natural Laws and Contrary-to-Fact Conditionals, in: Analysis 10 (1950), 121-25.
  • M. Lange: Natural Laws in Scientific Practice. Oxford: Oxford University Press 2000
  • John Leslie Mackie: The Cement of the Universe, Oxford University Press 1974
  • S. Mumford: Laws in Nature, Routledge Stathis Psillos: Review
  • Karl Popper: A Note on Natural Laws and So-Called Contrary-to-Fact Conditional, in: Mind 58 (1949), 62-66.
  • Patrick Suppes (Hg.): The Structure of Scientific Theories, Urbana: University of Illinois Press 2. A. 1977
  • Michael Tooley: The Nature of Laws, in: Canadian Journal of Philosophy 7 (1977), 667-698
  • Bas van Fraassen: Laws and Symmetry, Oxford: Clarendon Press 1989

Populäre Literatur[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Weblinks[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  Wikiquote: Naturgesetz – Zitate
  • Aufsätze zum Thema Laws of Nature in PhilSci Archive

Videos[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]