Vom Wesen der Physik Empfehlung

ODER ÜBER DIE REDUZIERUNG UND ERHÖHUNG VON KOMPLEXITÄT

ForscherInnen stehen im Labor, sitzen am Schreibtisch, sprechen mit Menschen, tauchen in Höhlen, beobachten im Regenwald und fanden in alten Bibliotheken nach schriftlichen Schätzen. Aber was ist der Hintergrund all dieser Tätigkeiten und was macht diese erst zu Wissenschaft? Gibt es eine gemeinsame Klammer die alle Wissenschaftsdisziplinen verbindet?

Ich möchte das an einem Beispiel veranschaulichen. Was könnte als ehemaliger Mitarbeiter der Ruhr-Universität Bochum besser passen als Fußball? An dieser Stelle möchte ich festhalten, daß auch VFL, S04 und BVB Fans unbesorgt weiter lesen können. Die Frage die wir uns nun stellen ist, welche Mechanismen die Flugbahn eines Balles beeinflussen können? Die Spielerin wird dem Ball einen Anfangsimpuls geben der eine Richtung und eine gewisse Stärke hat. Eine offensichtliche Beobachtung ist, daß das Schwerefeld der Erde die Bahn beeinflussen wird. Der Ball bewegt sich aber auch durch ein Medium und wird daher einen Auftrieb erfahren. Wir können den Ball aber auch sehen! Das bedeutet, daß Photonen von der Stadionbeleuchtung oder Sonne von ihm reflektiert werden. Diese wiederum tragen einen Impuls den sie auf den Ball übertragen und damit seine Bahn beeinflussen können. Dieses Spiel könnte man jetzt weiterführen und eine beeindruckende Liste von Wechselwirkungen finden die unter Umständen wesentlicher sind als die beschriebenen!

Wir haben nun begonnen das Problem in seine Einzelteile zu zerlegen und damit die Komplexität zu reduzieren. Die einzelnen identifizierten Wechselwirkungen sind nun dem Experiment einfacher zugänglich. In Experimenten würde man nun finden, daß die Schwerkraft einen dominierenden Einfluss auf den Ball hat. Der Auftrieb an Luft ist  für einen Fußball von sehr untergeordneter Bedeutung, während er im Wasser oder für einen Heißluftballon wesentlich ist. Der Lichtdruck von Photonen spielt dagegen für einen Ball überhaupt keine Rolle mehr, kann aber bei Raumfahrzeugen über Jahrzehnte zu wesentlichen Kursabweichungen führen. Unsere Studien würden aber auch ergeben, daß Bananenflanken nur erklärt werden können, wenn man die Rotation des Balles und die Strömungsmechanik in Betracht zieht und das die Anfangsoszillationen des Balles durch den Tritt auch einen Effekt haben können. Auf den Luftwiderstand haben wir in der Anfangsbetrachtung gänzlich vergessen!

An dieser Stelle sind die ExperimentalphysikerInnen fürs Erste fertig. Eine Wissenschaft zeichnet aber vor allem aus, daß sie Vorhersagen treffen kann. Eine Fragestellung könnte nun lauten, daß man bei gegebenen Anfangsimpuls wissen möchte wo der Ball landet. Berücksichtig man in einer Rechnung nur die Schwerkraft wird man finden, daß man die Bahn des Balles nur bedingt vorhersagen kann. Aus diesen Gründen würde man nun beginnen im mathematischen Modell die Komplexität wieder zu erhöhen. Man tut das, in dem man alle Wechselwirkungen ihrer Stärke nach sortiert, diese Schrittweise der Rechnung hinzufügt und die mathematischen Ergebnisse mit dem Experiment vergleicht. In diesem Beispiel würden wir die Reihenfolge Schwerkraft, Auftrieb und Lichtdruck haben. Erst wenn man mit der Übereinstimmung zwischen Theorie und Experiment zufrieden ist, würde man mit diesem Spiel aufhören oder falls nicht nach neuen, nicht berücksichtigten Effekten suchen. Das klingt einfacher als getan. Während man Schwerkraft und Auftrieb noch analytisch mit Papier und Bleistift berechnen kann, muß bei der Berücksichtigung von Strömungen, Wirbelbildung etc. bereits mit Computersimulationen gearbeitet werden.

Das Fußballbeispiel ist nun zugegebenermaßen sehr einfach. Es beinhaltet aber bereits alles, was die Arbeit von WissenschaftlerInnen und die Zusammenarbeit zwischen TheoretikerInnen und ExperimentalistInnen auszeichnet. Um zur Anfangsfrage zurückzukehren, das Wesen der Physik und aller anderen Wissenschaften ist Modellbildung. Man entwickelt Modelle für die Welt, unsere Gesellschaften, die menschliche Psyche, etc. und versucht damit Vorhersagen zu machen. Dinge im Nachhinein zu erklären ist zwar sehr verführerisch, aber der Wert einer wissenschaftlichen Theorie steigt je mehr Phänomene sie mit großer Präzision erklären und Vorhersagen für die zukünftige Entwicklung des Systems machen kann!

Christian Maszl-Kantner

Physiker, interessiert an Wissenschaft, Musik und Politik
Updates meistens Montags!

Webseite: tinyurl.com/GoogleScholarProfile-CM

Schreibe einen Kommentar

Bitte achten Sie darauf, alle Felder mit einem Stern (*) auszufüllen. HTML-Code ist nicht erlaubt.