Physikalisches Gesetz

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Ein physikalisches Gesetz oder auch Naturgesetz beschreibt (meist in mathematischer Form) Zustände und deren Änderungen eines physikalischen Systems mittels messbarer, eindeutig definierter physikalischer Größen (Parameter, Variabler).

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung
2 Gültigkeit von Naturgesetzen
3 Naturgesetze als Spiegel des wissenschaftlichen Fortschritts
4 Formulierungsschema
5 Beispiele für Naturgesetze
6 Kein Naturgesetz
7 Information
8 Literatur
9 Weblinks
10 Video

[Bearbeiten] Einleitung

Physikalische Gesetze formulieren in der Regel Veränderungszusammenhänge: Sie beschreiben also, wie eine Ausgangssituation durch eine Verlaufsfunktion in eine Endsituation verändert wird.

Ob man mit physikalischen Gesetzen alle Beobachtungen in der Natur beschreiben kann, hängt davon ab, wie gut das entsprechende Modell die sog. Wirklichkeit abbildet. Nur das Modell kann exakt berechnet werden – die gesamte Natur selbst nicht. Mit anderen Worten: Der Geltungsbereich eines physikalisches Gesetzes ist um so größer, je höher die Invarianzeigenschaften der darin enthaltenen physikalischen Größen sind.

Ein physikalisches Gesetz muss mit reproduzierbaren Experimenten vereinbar sein. Im allgemeinen Sprachgebrauch gilt es dann auch als bestätigt. Ein physikalisches Gesetz ist immer Teil einer Theorie, die einheitlich und widerspruchsfrei sein muss und durch die Praxis bestätigt werden muss. Eine Theorie, deren Vorhersagen noch nicht bestätigt werden konnten, lässt sich genauer mit dem Begriff Hypothese charakterisieren (wie z.B. die Stringtheorie).

Eine geschlossene Theorie nennt man eine Summe von Gesetzen, die ein ganzes Gebiet quasi vollständig beschreiben, wie z. B. die Maxwellschen Gleichungen die gesamte Elektrodynamik beschreiben. (Wieder in den definierten Grenzen und Modellen (idealer Leiter, ideales Vakuum etc.))

Physikalische Gesetze sind meist in der Sprache der Mathematik verfasst, da diese die notwendige logische und konzeptionelle Klarheit besitzt. Hinzu kommen sprachliche Beschreibungen und Illustrationen der Zusammenhänge. Sowohl die einzelnen Begriffe als auch der Geltungsbereich müssen hierbei definiert sein.

Die wissenschaftlich akzeptierten physikalischen Gesetze bestimmen das im 20. Jahrhundert vorherrschende materielle Weltbild. Es steht im Gegensatz zu einem Weltbild, in dem sich die Natur nicht entsprechend beobachtbarer Gesetzmäßigkeiten verhält, sondern entsprechend anderer (nicht beobachtbarer) Prinzipien, wie z.B. entsprechend dem Willen höherer Wesen.

Der Evolutionsbiologe Ernst Mayr vertritt die Auffassung, dass die Entwicklung der Lebewesen auf der Erde nicht physikalischen Gesetzen folgt, sondern dass jede Entwicklungsrichtung ein einmaliges, nicht reproduzierbares historisches Ereignis ist.

[Bearbeiten] Gültigkeit von Naturgesetzen

In der modernen Wissenschaftstheorie, wie sie vor allem auf Karl Popper zurückgeht, können Naturgesetze nicht bewiesen, sondern nur widerlegt werden. Die wissenschaftliche Methode besteht also nicht darin, ein Naturgesetz zu beweisen, sondern ein Modell für die Wirklichkeit aufzustellen und zu versuchen, dieses mit Experimenten zu falsifizieren. Liefern die Experimente keine Widersprüche zu den Voraussagen des Modells, so kann das Modell als Naturgesetz angenommen werden. Dieses gilt nur, solange nicht neuere Experimente einen solchen Widerspruch zeigen.

Ein hinreichend oft bestätigtes Gesetz wird durch seine Falsifikation jedoch nicht wertlos, denn die vielen vorherigen Experimente beweisen, dass es in einem bestimmten Bereich dennoch in guter Näherung gilt. Jedes neu aufzustellende Gesetz muss daher dieses Gesetz als Grenzfall enthalten. Ein solches Gesetz wird daher in der Regel auch nicht als falsch, sondern als nur eingeschränkt gültig angesehen.

[Bearbeiten] Naturgesetze als Spiegel des wissenschaftlichen Fortschritts

Im Laufe der Zeit wurden immer wieder scheinbar unabhängige Gesetze auf jeweils einen zu Grunde liegenden Zusammenhang zurückgeführt. Ein Beispiel hierfür sind die zahlreichen in der Mechanik beschriebenen Kräfte und die Gesetze ihres Wirkens, die letzten Endes alle auf elektromagnetische Wechselwirkungen und die Gravitation zwischen und in den involvierten Körpern zurückgeführt werden können.

Der Übergang von der Newton'schen Physik zur Relativistik Albert Einsteins zeigt, wie sich als unumstößlich erkannt geglaubte Gesetze dann doch nur als Modell für einen Spezialfall (nämlich für kleine Geschwindigkeiten und Massen) erweisen.

Diese Überlegung führt zur Suche nach "letzten" und grundlegenden Gesetzen, einem Weltgesetz, mit dem "alles" erklärt und aufgebaut werden kann, vergleichbar den mathematischen Axiomen. "Stringtheorie", "Quantengravitation" und "Große Vereinheitlichte Theorie" sind Beispiele für diese Bemühungen nach Vereinheitlichung.

Jedes Naturgesetz, das auf ein allgemeineres Gesetz zurückgeführt werden kann, hat nur noch den Rang eines Modells. Ein Argument für die Vermutung, alle uns bekannten Naturgesetze seien tatsächlich nur Konstrukte des menschlichen Geistes.

[Bearbeiten] Formulierungsschema

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 $m 1$ und $m 2$ ist proportional der Größe der Massen und umgekehrt proportional zum Abstandquadrat $r 2$ .

$F = G \frac{m_1 m_2}{r^2}.$

G ist dabei ein Proportionalitätsfaktor, der die Massen $m 1$ und $m 2$ und das Inverse des Abstandsquadrats $1 / r 2$ miteinander in Relation setzt. Da dieser als Gravitationskonstante bezeichnete Faktor in allen denkbaren physikalischen Systemen den exakt gleichen Wert besitzt und eine fundamentale physikalische Wechselwirkung (die Anziehung von Massen untereinander) beschreibt, spricht man von einer Naturkonstante.

[Bearbeiten] Beispiele für Naturgesetze

Newtons Gravitationsgesetz (siehe oben)
Licht breitet sich im Vakuum mit einer universellen Geschwindigkeit aus (Lichtgeschwindigkeit).
die Hauptsätze der Thermodynamik
Thermische Zustandsgleichung idealer Gase
Ohmsches Gesetz
Wenn biologische Organismen Vererbung haben und ihre Nachkommen sich unterscheiden, wird ihre Population durch Evolution verändert (Natürliche Selektion).

[Bearbeiten] Kein Naturgesetz

Die Abgrenzung was ein Naturgesetz ist und was keines, ist nicht immer ganz scharf.

[Bearbeiten] Widerlegte Naturgesetze

Die Genetische Information fließt immer von der DNA zur RNA und nicht umgekehrt.
- Dieses Dogma der Genetik wurde mit dem Auftauchen der Retroviren wie zum Beispiel HIV und ihre reverse Transkriptase widerlegt.
Chromosomen und Gene sind unteilbare Einheiten der Vererbung
- Dieser Gedanke der Genetik des frühen zwanzigsten Jahrhunderts wurde durch die Existenz der springenden Gene beim Mais ( Transposition ) widerlegt.
Das Licht braucht den Äther als Trägermedium.
- Die Ätherlehre wurde am Anfang des 20.Jahrhunderts durch genaue Messungen der Lichtgeschwindigkeit abgeschafft.
Leben entsteht immer wieder neu. (Heuaufgusstheorie)
- Leben entsteht immer durch Zeugung anderer Lebewesen.
- Nur am Anfang des Lebens auf der Erde ist das Leben aus dem Unbelebten neu entstanden.
Organische Stoffe können nicht aus anorganischen hergestellt werden - es wird eine Art "Lebenskraft", die "Vis Vitalis" benötigt.
- Durch Friedrich Wöhlers erfolgreiche Harnstoffsynthese widerlegt.
Phlogiston (griechisch phlogistós – verbrannt) oder Caloricum ist eine hypothetische Substanz, von der man im späten 17. und 18. Jahrhundert glaubte, dass sie allen brennbaren Körpern bei der Verbrennung entweicht, sowie bei Erwärmung in sie eindringt.
- Die Phlogiston-Theorie wurde Ende des 18. Jahrhunderts von Antoine Lavoisier durch die Oxidationstheorie abgelöst. Er untersuchte die Gewichtsveränderung verschiedener Stoffe bei Oxidation bzw. Reduktion und entdeckte, dass das gerade entdeckte Element Sauerstoff dabei die entscheidende Rolle spielt.

[Bearbeiten] Historisches Ereignis, aber kein Naturgesetz

Der genetische Code gilt für alle Lebewesen gleichermaßen.
- Die Aussage ist wahr, beruht aber auf einem historisch einmaligen Ereignis (der Evolution des genetischen Codes), nicht auf einer Gesetzmäßigkeit.
Der Mensch und der Affe haben gemeinsame Vorfahren.
- Die Aussage ist ebenfalls wahr, gilt aber nur für die genannten Arten (Mensch und Affe) und kann daher kein Gesetz mit universeller Gültigkeit sein.

[Bearbeiten] Mathematischer Lehrsatz, aber kein Naturgesetz

Viele mathematische Sätze enthalten wichtige Aussagen, die in der Naturwissenschaft und anderswo genutzt werden. So ist der Satz korrekt: Die Winkelsumme im Dreieck in der Ebene beträgt 180 Grad. Nach allgemeiner Meinung ist er allerdings ein mathematischer Lehrsatz, der auf gewissen Grundaxiomen der Geometrie beruht. Er ist aber kein Naturgesetz.

[Bearbeiten] Information

Die Frage nach der Eigenständigkeit von physikalischen Gesetzen hat sich heute gewissermaßen verallgemeinert zur Frage nach der Eigenständigkeit von Information: Da Reproduzierbarkeit der Information ebenso vorausgesetzt ist wie den physikalischen Gesetzen, hängt ihre Geltung davon ab, ob sich diese Reproduzierbarkeit empirisch bestätigt. Die Möglichkeit zur Reproduktion lässt sich allerdings nicht von der Wirklichkeit trennen, dass die Reproduktion tatsächlich geschieht. Und so bleibt jede Geltung ein soziales Phänomen. Neben allen technischen Optionen setzt sie ein Interesse und einen Konsens voraus. Die allgemeine Meinung besagt, Information ohne Informationsträger gibt es nicht.