Wissenschaftstheorie

Zur Berechenbarkeit der Welt

Der Vergleich unseres solaren Planetensystems mit einem Uhrwerk ist nicht ganz abwegig. Immerhin ist die Sonnenuhr eine der ersten Uhren, die den Menschen die „Uhrzeit“ brachte. Sie macht von der berechenbaren Regelmäßigkeit der Eigendrehung der Erde Gebrauch. Schon im Altertum konnten Sonnenfinsternisse auf der Grundlage von Berechnungen ziemlich genau vorhergesagt werden.
Der auf dieser Berechenbarkeit beruhende Determinismus ist eine der Grundlagen der neuzeitlichen Physik. Einen spektakulären Höhepunkt erlebte die „Berechenbarkeit der Welt“ mit der Entdeckung des Planeten Neptun durch Urbain Le Verrier (1811 – 1877) im Jahre 1846. Dies gelang ihm, ohne sein Studierzimmer verlassen und den Blick gen Himmel erhoben zu haben. Columbus musste noch mit drei Karavellen in See stechen, um den Seeweg nach Indien zu finden. Ein waghalsiges Unternehmen, bei dem er nicht sicher sein konnte, seine Heimat wiederzusehen. Er kam nie in Indien an, entdeckte dafür aber den Kontinent Amerika. Das war eine Zufallsentdeckung, während die Entdeckungen der Astronomen gezielt und mit mathematischer Gewissheit durchgeführt wurden. Le Verriers Erfolg trug nicht unerheblich zum Mythos der neuzeitlichen Physik bei: Die Welt ist berechenbar, und rechnen lernt man bereits in der Schule.
Allerdings war in diesem Vorgehen der Wurm drin, der sich zu einer Krise der Berechenbarkeit natürlicher Systeme schlechthin auswachsen sollte. Zum einen waren die Berechnungen sehr lang und standen damit weder im Einklang mit dem vermeintlich mathematisch einfach strukturierten Planetensystem, noch führten sie zu einem eindeutigen Ergebnis. Neben Le Verrier hatte mindestens ein zweiter Wissenschaftler zwei Jahre lang gerechnet, John Couch Adams (1819 – 1892). Er kam zu einer anderen Bahn für den Planeten. Beide Berechnungen waren nicht wirklich gut, auch wenn sie mit etwas Glück zum Erfolg führten: der neue Planet wurde tatsächlich in der Umgebung der berechneten Stelle gefunden.
Der Grund für diese Uneindeutigkeiten liegt darin, dass die Keplerschen Gesetze, auf denen die Berechnungen beruhen, exakt nur für zwei Himmelskörper gelten. Das Sonnensystem besteht aber aus vielen Planeten und Planetoiden, sodass es zu gegenseitigen Störungen kommt, derer man mit einer aufwändigen Störungsrechnung Herr zu werden versucht. Letztlich gibt es neueren, auf umfangreichen Computersimulationen beruhenden Rechnungen zufolge aber keine eindeutigen Ergebnisse. Auf absehbare Zeit müsse man sogar davon ausgehen, dass einige Planeten aus der Reihe tanzen werden. Denn das Sonnensystem ist chaotisch.
Dieser Wurm des Chaos war auch bei den Rechnungen, die zum Apolloprogramm durchzuführen waren, virulent. Ohne aufwändige Computerrechnungen und Korrekturen während des Fluges wäre die Landung auf dem Mond nicht möglich gewesen.
Die Keplerbahnen sind nichts weiter als Annäherungen, die gerade genügen, eine Vorstellung von den Bahnen im Verlauf einiger Jahrhunderte oder Jahrtausende zu geben. Auch wenn das gemessen am menschliche Zeitbewusstsein als ausreichend angesehen werden kann, werden die auf solchen Berechnungen beruhenden Aussagen zum Planetensystem über größere Zeiträume gesehen äußerst problematisch, wenn nicht gar irrelevant.

Die Schwellenangst des Physikers

Dass jemand beim Übertreten dieser Türschwelle* (Foto) zumindest ein mulmiges Gefühl haben könnte ist verständlich. Bei Physikern können schon ganz normale Schwellenübertritte angesichts der damit verbundenen Schwierigkeiten für Beklemmungen sorgen. Jendenfalls hat Arthur Eddington (1882 – 1944) die Probleme des Schwellenübertritts in der folgenden Passage anschaulich zusammengefasst: Weiterlesen →

Dies ist in Wirklichkeit nur jenes…

Aber, ist Denkstil nicht wiederum nur ein anderer Ausdruck für Zeitgeist? Wittgenstein hat mit seiner Formel Dies ist in Wirklichkeit nur jenes das Grundschema aller Welterklärungen angegeben und zugleich deren Reizwert bestimmt. Auf diesem Schema verbleibend, gibt es noch die Steigerung des Reizwertes mit der gleichfalls schon von den Griechen entdeckten Formel: Alles ist eines. Dies ist es, worauf die Vernunft jederzeit Anspruch hatte und was ihr jeweils endlich erfüllt werden soll; dies ist es aber auch, was die Bildungserwartung bestärkt, einen derart auf Einfachheit zulaufenden Sachverhalt werde alsbald jedermann begreifen und die Welt dadurch für sich durchsichtig machen können.*

Was auf dem Foto durch Wasser so durchsichtig gemacht wurde ist das Pflaster vor der Kathedrale in Florenz (Santa Maria del Fiore). Behauptete nicht Thales von Milet (*624/23 v. Chr.; † zwischen 548 und 544 v. Chr), dass alles (aus) Wasser ist?

* Hans Blumenberg. Die Verführbarkeit des Philosophen. Frankfurt 2000, S. 42

Die Zeit der heiteren Stunden

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Der befohlene Sonnenuntergang

»Was ist also mit meinem Sonnenuntergang?« erinnerte der kleine Prinz, der niemals eine Frage vergaß, wenn er sie einmal gestellt hatte.
»Deinen Sonnenuntergang wirst du haben. Ich werde ihn befehlen. Aber in meiner Herrscherweisheit werde ich warten, bis die Bedingungen dafür günstig sind.«
»Wann wird das sein?« erkundigte sich der kleine Prinz.
»Hm, hm!« antwortete der König, der zunächst einen großen Kalender studierte, »hm, hm! Das wird sein gegen… gegen… das wird heute abend gegen sieben Uhr vierzig sein! Und du wirst sehen, wie man mir gehorcht.«* Weiterlesen →

Der Fall der Planeten – Fall 5

Es brauchte schon einen Newton,
um zu bemerken, daß auch der Mond fällt,
wo doch jeder genau sieht, daß er nicht fällt.

Paul Valéry (1871 – 1945)

Obwohl Galileo Galilei durch die Dauerhaftigkeit und Gleichförmigkeit der Planetenbahnen am Himmel zu seinen weitreichenden Einfällen inspiriert worden sein könnte, war erst Isaac Newton in der Lage, auf der Grundlage des freien Falls, wie ihn Galilei konzipiert hatte, die Bewegungen der Planeten selbst als einen Sonderfall des freien Falls zu sehen. Weiterlesen →

„Die Hauptsache ist immer unsichtbar*“ (Lichtenberg 7)

Der Physiker und Aphoristiker Georg Christoph Lichtenberg (1742 – 1799) geht davon aus, dass von der sichtbaren Oberfläche der Gegenstände und ihrem Verhalten nicht ohne weiteres auf das innere Wesen geschlossen werden kann. Dieses bleibt trotz der großen Erfolge bei der Ausweitung der Sichtbarkeit durch Fernrohr und Mikroskop verborgen und verweist einmal mehr auf die spezifische Kontingenz unserer Wahrnehmung. Denn wie Lichtenberg am Beispiel der Newtonschen Gravitationskraft illustriert, ist oft das Wesentliche gerade in dem enthalten, was wir nicht sehen: Weiterlesen →

Pfeffer und gezackte Linien (Lichtenberg 3)

Der erste deutsche Experimentalphysiker Georg Christoph Lichtenberg (1742 – 1799) hat sich nach eigenem Bekunden in seiner experimentellen Forschung mit seltsamen Geschöpfen auf der Grenze zwischen Luft und Festkörper befasst. Als jemand der „Pfeffer und gezackte Linien“ (F 995) liebt, stößt er wohl als erster Physiker im Rahmen seiner Experimente zur Elektrostatik auf nichtlineare fraktale Muster, die fortan seinen Namen tragen sollten. Weiterlesen →

Auf der Grenze liegen immer die seltsamsten Geschöpfe – (Lichtenberg 2)

Dieser Satz stammt von Georg Christoph Lichtenberg (1742 – 1799), der auf zahlreiche Grenzgänge zutrifft,  die der erste Experimentanphysiker Deutschlands, Philosoph und Schriftsteller zwischen verschiedenen Tätigkeitsfeldern, Forschungsbereichen und gedanklichen Exkursionen unternommen hat. Weiterlesen →

Vom Uhrwerk zum chaotischen System – zur Entdeckung von Neptun

Der Vergleich unseres solaren Planetensystems mit einem Uhrwerk ist nicht ganz abwegig. Immerhin ist die Sonnenuhr eine der ersten Uhren, die den Menschen die „Uhrzeit“ brachte. Sie macht von der berechenbaren Regelmäßigkeit der Eigendrehung der Erde Gebrauch. Schon im Altertum konnten Sonnenfinsternisse auf der Grundlage von Berechnungen ziemlich genau vorhergesagt werden.
Der auf dieser Berechenbarkeit beruhende Determinismus ist eine der Grundlagen der neuzeitlichen Physik. Einen spektakulären Höhepunkt erlebte die „Berechenbarkeit der Welt“ mit der Entdeckung des Planeten Neptun durch Urbain Le Verrier (1811 – 1877) im Jahre 1846. Weiterlesen →

Spuren am Strand

Bei der Erschließung der Vergangenheit und der Welt schlechthin sind wir oft darauf angewiesen, uns mit Spuren auseinanderzusetzen, um sie zu deuten und daraus Erkenntnisse zu gewinnen, die auf andere Weise nicht zu erlangen wären. Diese Spurensuche kann insbesondere in den Naturwissenschaften zu Ergebnissen führen, die man so vielleicht nicht erwartet hätte: „Wir haben an den Gestaden des Unbekannten eine sonderbare Fußspur entdeckt. Wir haben tiefgründige Theorien, eine nach der anderen ersonnen, um ihren Ursprung aufzuklären. Weiterlesen →

Das Experiment mit der Luftpumpe – eine Bildbeschreibung

Schlichting, H. Joachim. In: Praxis der Naturwissenschaften -Physik in der Schule 64/6 (2015), S. 17 – 19

Was ein Mensch sieht, hängt sowohl davon ab, worauf er blickt,
wie davon, worauf zu sehen ihn seine visuell-begriffliche Erfahrung gelehrt hat.
Thomas S. Kuhn (1922 – 1996)

Am Beispiel der Visualisierung der für die neuzeitliche Physik bedeutungsvollen Vakuumtechnik einschließlich ihrer Rezeption durch den Menschen werden wesentliche Probleme der naturwissenschaftlichen Sehweise und einiger Konsequenzen für das Leben der Menschen im Rahmen einer Bildbeschreibung dargestellt und diskutiert. Damit sollen u.a. Anregungen für eine mögliche Einbeziehung von Bildbeschreibungen in den Physikunterricht gegeben werden.

Abbbildung: Joseph Wright of Derby (1734 -1794) malte im Jahre 1768 das Bild mit dem Originaltitel: An Experiment on a Bird in the Air Pump (National Gallery London). Aus: The York Project (2002): 10.000 Meisterwerke der Malerei. DVD-ROM.

Sonderdruck kann beim Autor angefordert werden (schlichting@uni-muenster.de)

Himmel abgeschafft – Zur Sehweise der neuzeitlichen Physik

Schlichting, H. Joachim. In: Praxis der Naturwissenschaften -Physik in der Schule 64/6 (2015), S. 9 – 12

„dieser tote sperling“, flüstert einer,
„wird noch durch einen leeren himmel fliegen.“
Jan Wagner (*1971)

Der Beginn der neuzeitlichen Physik wird oft mit Galileo Galilei in Verbindung gebracht, weil er es wagt, die Welt zu beschreiben, wie wir sie nicht erfahren. Diese neue Sehweise brachte ihm Verständigungsschwierigkeiten mit seinen Kollegen insbesondere den Kirchenvertretern ein, die in mancher Hinsicht an die Lernschwierigkeiten unserer Schülerinnen und Schüler erinnern. An diesem historischen Beispiel können diese oft unterschätzten Probleme aus der Distanz betrachtet und möglicherweise mit Gewinn für das Physiklehren und -lernen diskutiert werden.

Abbildung aus: Brüche, Ernst (Hrsg.) (1964): Sonne stehe still. Mosbach: Physik Verlag

Sonderdruck kann beim Autor angefordert werden (schlichting@uni-muenster.de)

Das Lachen der Thrakischen Magd

Als zum erstmaligen Nachweis von Neutrinos in zwei Reservoiren von 1000 t Wasser tief unter der Oberfläche auf entgegengesetzten Enden der Erde 19 Lichtblitze mit Hilfe empfindlicher Detektoren registriert wurden, erhielt man Kunde davon, wie es im Innern eines Sterns in der großen Magellanschen Wolke vor 170000 Jahren zuging, als dieser als Supernova explodierte just im rechten Augenblick, um die Menschheit im Jahre 1987 theoretisch und instrumentell vorbereitet vorzufinden, das Ereignis zu sehen, zu beobachten und zu verstehen und als Selbstbestätigung für eine philosophische, technologische und kulturelle Entwicklung anzusehen.
Diese Entwicklung begann spätestens vor 2500 Jahren ihren Ausgangspunkt nahm, als Thales von Milet (624-547 v. Chr), die Sterne beobachtend in die Mistkuhle fiel, um von seiner thrakischen Magd dafür ausgelacht zu werden, dass er den Blick in die Ferne schweifen ließ und das Naheliegende nicht sah. Die Situation ist heute noch ganz ähnlich. Die in sicherer Entfernung stattfinden Vorgänge hat man besser im Griff als die in der beengten Nähe auf dem übervölkerten Planeten tobenden Probleme und Konflikte. Insofern ist die Thrakische Magd nicht vergessen. Weiterlesen →

Newtons Apfel: Scharfsinn geht nicht allemal aus Scharfsicht hervor

Aber wie ich den Kopf über die Hecke der Elfen hinausstreckte und von der natürlichen Welt Kenntnis zu nehmen begann, da fiel mir etwas Außergewöhnliches auf: mir fiel auf, dass gelehrte Männer, mit Brillen, über die wirklichen Geschehnisse – über Morgendämmerung und Tod und so weiter – sprachen, als ob diese vernünftig und unvermeidlich wären. Sie sprachen, als ob die Tatsache, dass Bäume, Früchte hervorbringen, genau so notwendig wäre wie die Tatsache, daß es zwei Bäume und einer drei ausmachen. Aber dem ist nicht so. Weiterlesen →

Das vergebliche Flattern des Vogels im luftleeren Raum

„Die leichte Taube, indem sie im freien Fluge die Luft teilt, deren Widerstand sie fühlt, könnte die Vorstellung fassen, daß es ihr im luftleeren Raum noch viel besser gelingen werde. Ebenso verließ Plato die Sinnenwelt, weil sie dem Verstande so enge Grenzen setzt, und wagt sich jenseits derselben, auf den Flügeln der Ideen, in den leeren Raum des reinen Verstandes. Er bemerkte nicht, daß er durch seine Bemühungen keinen Weg gewönne, denn er hatte keinen Widerhalt, gleichsam zur Unterlage, worauf er sich steifen, und woran er seine Kräfte anwenden konnte, um den Verstand von der Stelle zu bringen“ (Immanuel Kant: Kritik der reinen Vernunft). Weiterlesen →

Auf der schiefen Bahn

Lange bevor Galilei seine Kugeln die schiefe Ebene hinabrollen ließ und damit der neuzeitlichen Physik einen entscheidenden Impuls gab, haben Mensch und Tier vor allem negative Erfahrungen mit abschüssigen Bahnen gemacht. Solange im geschlossenen Universum eines schrägen Zimmers im Science Center (Phaeno in Wolfsburg) letztlich die Wände die Besucher vor dem Abrutschen bewahren, kann man damit seinen Spaß haben. Im kosmischen Maßstabe wurden jedoch infolge der kopernikanischen Wende diese Wände weggeräumt, und die Menschheit einem offenen Universum ausgesetzt, das die Menschen in Schrecken zu versetzten vermöchte. Jedenfalls geht es selbst Blaise Pascal so, einem der Protagonisten der neuzeitlichen Physik, wenn er sagt: „Le silence éternel de ces espaces infinis m’effraie“. (Die ewige Stille dieser unendlichen Weiten macht mir Angst). Weiterlesen →

Vor uns das Labyrinth

Die Erwartung, dass GPS-gestützte Navigationsgeräte den Labyrinthen den Garaus machen, hat sich nicht erfüllt. Indem wir glauben, auf den Überblick und Orientierungsanstrengungen verzichten zu können, verwandeln nicht selten die Navis eine fremde Stadt in ein Labyrinth. Und wie oft legen die Menschen verbal Labyrinthe zwischen sich und ihren Mitmenschen.
Die neuzeitlichen Naturwissenschaften sahen sich von Anfang an, einem Labyrinth gegenüber. So sagt Francis Bacon (1561-1626), auch Baco von Verulam genannt, in seinem Neuen Organon: „Der Bau des Weltalls aber erscheint seiner Struktur nach dem Menschengeist, der es betrachtet, wie ein Labyrinth,wo überall unsichere Wege, täuschende Ähnlichkeiten zw. Dingen und Merkmalen, krumme und verwickelte Windungen und Verschlingungen der Eigenschaften sich zeigen….Die Spuren müssen an einem Faden festgehalten werden: Jeder Schritt muß von der ersten sinnlichen Wahrnehmung an in fester Weise gesichert sein“. Aber dieser Ariadnefaden scheint bis heute nicht gefunden zu sein, auch nicht durch Higgs. Man kann nur Georg Christoph Lichtenberg beipflichten, der die Situation folgendermaßen auf den Punkt bringt:
„Aber leider! Leider! liegt alles in einem Labyrinth, wozu Baco den Faden gesucht aber nicht gefunden hat, und der Mensch muß noch jetzt, wie vor Jahrtausenden, die größten Dinge so erfinden, wie die Schweine die Salzquellen und Gesundbrunnen“.

Die Kunst Leonardo da Vincis aus dem Geiste der neuzeitlichen Physik

Schlichting, H. Joachim. In: Praxis der Naturwissenschaften-Physik in der Schule 62/3 (2013), S. 13 – 21

Leonardo hat Naturwissenschaften und Malerei stets als zwei Seiten derselben Medaille angesehen. In seiner Malerei werden naturwissenschaftliche Ergebnisse zu einer möglichst naturgetreuen Beschreibung der Welt verwendet, wobei er „naturgetreu“ weit über das bloße optische Abbild hinaus dachte. Dadurch vermochte er grundverschiedene Aspekte der Realität so ins Bild zu setzen, dass das Dargestellte gewissermaßen beseelt und lebendig wirkte, so wie man es mit einer fotografischen Abbildung niemals hätte erreichen können.Umgekehrt wurde er in diesem künstlerischen Bemühen sensibilisiert und motiviert, die naturwissenschaftlichen Gesetzmäßigkeiten zu erforschen, die der darzustellenden Realität zugrunde liegen. Dabei gelangte er zu Entdeckungen, die oft seiner Zeit weit voraus waren, obwohl er als Autodidakt über keine naturwissenschaftliche Ausbildung verfügte. Weiterlesen →

Das Unfassbare spricht zu uns in Bildern – Zur wechselseitigen Beziehung zwischen Kunst und Physik

Schlichting, H. Joachim. In: Praxis der Naturwissenschaften-Physik in der Schule 62/3 (2013), S. 5 – 12

Obwohl Physik und Kunst auf den ersten Blick sehr verschiedene Bereiche unserer Kultur darstellen, haben sie sich in vielfacher Weise wechselseitig beeinflusst. Das perspektivische Denken setzte sich zunächst in der Kunst durch, bevor es Eingang in die neuzeitlichen Naturwissenschaften fand und dort direkt und indirekt seine Wirkung entfaltete. Umgekehrt wurden die Linse und andere optische Geräte vor allem in der realistischen Malerei eingesetzt. Weiterlesen →

Musik an der Schwelle der neuzeitlichen Physik

Schlichting, H. Joachim. In: Stefan Kolling (Hrsg.): Beiträge zur Experimentalphysik, Didaktik und computergestützten Physik. Berlin: Logos 2007, S. 237 – 260

Zwischen der Musik als akustischem Phänomen und der physikalischen Forschung als einer Art Suche nach musikalischen Harmonien bestehen zahlreiche Beziehungen. Bei der Beschreibung von Musik und Musikinstrumenten spielt die Physik eine wichtige Rolle. Umgekehrt hat die Musik weit über rein metaphorische Bezüge hinausgehend vor allem in der revolutionären Phase, die der Ausbildung des Paradigmas der neuzeitlichen Physik vorausging, der physikalischen Forschung wichtige Impulse gegeben. Vor dem gemeinsamen kulturellen Hintergrund der Entwicklung von neuzeitlicher Musik und Physik werden einige Aspekte dieser Beziehungen skizziert.

PDF: Musik an der Schwelle der neuzeitlichen Physik

Die Welt jenseits der geschliffenen Gläser – Zur Bedeutung des Sehens in der klassischen Physik

Schlichting, H. Joachim. In: PhyDid 1/2 (2003) S. 9-18.

An der Schwelle zur Neuzeit steht ein technisches Objekt, ein Produkt der Brillenmacher, ein „Stückchen Glas, …auf Staub“ abgerieben: die Linse. Wie ein Deus ex machina fällt sie Galilei in die Hände und wird im tatsächlichen wie im übertragenen Sinne für eine verbesserte, ja eine neue Sehweise sorgen. Die vorher undenkbare Verbindung von Handwerkskunst und spekulativer Welterkenntnis, wird zu einem typischen Aspekt der neuzeitliche Physik.

PDF: Die Welt jenseits der geschliffenen Gläser – Zur Bedeutung des Sehens in der klassischen Physik

Wie frei ist der freie Fall?

Schlichting, H. Joachim. In: Sumfleth, Elke (Hrsg.): Chemiedidaktik im Wandel – Gedanken zu einem neuen Chemieunterricht. Münster: Lit- Verlag 1999, S. 255-277.

Es gehört für die Newtone, in dem Sturz eines Apfels
die Ordnung des Weltsystems zu finden
Johann Gottfried Herder

Der freie Fall ist ein besonderer Fall des Lehrens und Lernens und damit des Verstehens von Physik schlechthin. Obwohl und weil er von „fertigen“ Physikern als einfach angesehen wird, bereitet er Laien große Schwierigkeiten, die weniger in den fachwissenschaftlichen Anforderungen begründet sind, als vielmehr in den stillschweigenden Voraussetzungen, die bei der Konzeptualisierung des freien Falls zugrundegelegt werden müssen. Der Fall wird nicht einfacher dadurch, daß wir im Alltag mit zahlreichen Fällen zu tun haben, denn der freie Fall ist kaum dabei, eher ist das Gegenteil der Fall. Weiterlesen →

Zwischen common sense und physikalischer Theorie – wissenschaftstheoretische Probleme beim Physiklernen

Schlichting, H. Joachim. In:  Der mathematische und naturwissenschaftliche Unterricht 44/2, 74 (1991).

Es werden Schwierigkeiten beim Lernen von Physik angesprochen, die direkt oder indirekt mit dem Wechsel des Vorstellungsrahmens zusammenhängen.
Dies betrifft vor allem den Übergang vom erlebnishaft geprägten common sense zur abstrakten wissenschaftlichen Theorie. Ein Bewußtmachen dieser Probleme kann m.E. dazu beitragen, das Physiklernen zu erleichtern.

PDF: Common_Sense_Physikalische_Theorie