Experiment

Begriff und Ziel des Experiments

Ein Experiment ist ein methodisch geplanter Versuch, mit dem empirische Informationen, also Daten aus Erfahrung und Beobachtung, gewonnen werden. Es dient dazu, Vorgänge und Umstände zu klären, Theorien zu bestätigen oder neue Erkenntnisse und Modelle zu entwickeln. Anders als bei einer bloßen Beobachtung werden im Experiment Einflussgrößen gezielt verändert. Meist gehören Zählungen oder Messungen dazu.

Ein Experiment gilt als „Frage an die Natur“, in den Sozialwissenschaften als Frage an die gesellschaftliche Wirklichkeit. Häufig prüft es eine Hypothese, also eine begründete Vermutung. Es kann aber auch ohne vorherige Hypothese neue, bisher nicht beobachtete Situationen herstellen, etwa mit einer genaueren Messmethode oder einem leistungsfähigeren Teilchenbeschleuniger. Solche Versuche können zu Entdeckungen führen.

Dafür braucht es eine Versuchsanordnung. Bei Untersuchungen mit Menschen oder anderen Lebewesen wird sie auch Forschungsdesign genannt. Schwankende Messdaten müssen oft mit statistischen Methoden und statistischen Tests ausgewertet werden. Aus den Ergebnissen werden Schlussfolgerungen gezogen, die zusammen mit Modellen eine Theorie stützen oder zu einer neuen Theorie führen können.

Experiment und wissenschaftliche Beobachtung sind beide planmäßig und meist theoriegeleitet. Bei der Beobachtung wird jedoch nicht in das untersuchte System eingegriffen, etwa bei astronomischen, geologischen oder biologischen Beobachtungen. Manche Experimente sind ethisch problematisch oder unzulässig, besonders Menschen- und Tierversuche, aber auch Kernwaffentests und Gentechnik.

Entwicklung des experimentellen Denkens

Das Experiment ist ein zentraler Teil wissenschaftlichen Fortschritts. Mit der Entwicklung wissenschaftlicher Methoden und Messinstrumente nahm seine Bedeutung zu und sein Charakter veränderte sich. Galileo Galilei wird oft als Begründer der neuzeitlichen messenden Forschung durch Experimente angesehen.

Schon der arabische Mathematiker, Optiker und Astronom Alhazen (965–1039) führte wissenschaftlich geprägte Versuche durch. Seine Untersuchungen zur Optik mit der „Camera Obscura“ verband er mit methodischen Überlegungen: Einzelbeobachtungen sollen geprüft, durch Induktion verallgemeinert und Schlussfolgerungen vorsichtig gezogen werden. Dabei sollen Forschende Vorurteile vermeiden, kritisch mit eigenen Annahmen umgehen und auch überlieferte Theorien anhand von Experimenten überprüfen und gegebenenfalls verwerfen. Vollständige Objektivität bleibt schwierig, weil Menschen zu subjektiven Meinungen und Hypothesenbildung neigen.

Planung, Kontrolle und Dokumentation

Experimentatorik bezeichnet Regeln für Planung, Durchführung und schriftliche Dokumentation wissenschaftlicher Experimente, etwa in einem Versuchsprotokoll. Die Beobachtung soll möglichst beobachterunabhängig sein. Erwartungen oder schon die Anwesenheit der experimentierenden Person dürfen das Ergebnis nicht verfälschen.

Mögliche Störfaktoren müssen durch die Versuchsanordnung vermieden oder kontrolliert werden. Dazu gehören beispielsweise Konfundierungseffekte in der Psychologie: Ein scheinbarer Effekt kann in Wahrheit durch eine andere, nicht berücksichtigte Ursache entstanden sein. Auch Artefakte, also Ergebnisse, die durch die Untersuchungsmethode selbst entstehen, können zu Fehldeutungen führen.

Die Dokumentation soll Bedingungen, Hypothesen, Absichten, Unsicherheiten und Messfehler nennen. Was als wichtig gilt, hängt vom Fach ab: Die Kleidung einer experimentierenden Person ist in der Physik meist unwichtig, kann aber in der Psychologie das Verhalten von Versuchspersonen beeinflussen. Auch fehlgeschlagene Versuche und unerwartete Resultate müssen festgehalten werden. Sie können neue Informationen oder Hypothesen liefern; das Weglassen unpassender Daten kann besonders bei statistischen Argumenten Ergebnisse verfälschen.

Experimente in Wissenschaft und Technik

In Physik, Chemie und verwandten Naturwissenschaften lassen sich Versuchssituationen meist gezielt herstellen und kontrollieren. Ein wichtiges Glaubwürdigkeitskriterium ist die Reproduzierbarkeit: Andere Forschende sollen den Versuch an einem anderen Ort und zu einer anderen Zeit mit gleichem Ergebnis wiederholen können.

Oft werden unabhängige Variablen systematisch verändert und die Auswirkungen auf abhängige Variablen gemessen. Weitere veränderliche, aber im Versuch konstant gehaltene Größen heißen Parameter oder Einflussgrößen. In der klassischen Physik sollte der Einfluss der Beobachtung möglichst klein sein. Bei Quantenobjekten lässt sich der Einfluss der Beobachtung jedoch grundsätzlich nicht vermeiden.

Nach Karl Poppers kritischem Rationalismus können Hypothesen nicht endgültig bewiesen, sondern nur widerlegt, also falsifiziert, werden. Widerspricht ein Ergebnis einer Hypothese nicht, stützt es sie nur, sofern das Ergebnis dafür relevant ist. Gedankenexperimente werden nur im Denken durchgeführt, um innerhalb einer Theorie Erkenntnisse zu gewinnen; sie können später manchmal real ausgeführt werden.

In den Ingenieurwissenschaften sind Tests wichtiger als Experimente. Experimente fragen kausal nach Folgen bestimmter Ursachen und sollen möglichst ergebnisoffen sein. Tests fragen häufig final, mit welchen Mitteln ein bestimmter Zweck erreicht wird, und finden unter realitätsnahen Bedingungen statt. Prototypen prüfen beispielsweise die Funktion geplanter Technik; bei einer fertigen Brücke zeigt ein Belastungstest, ob sie Belastungen standhält. Sind Tests wirtschaftlich oder ethisch nicht möglich, werden Simulationen eingesetzt, etwa die Finite-Elemente-Methode.

In Psychologie und Sozialwissenschaften sind Einflussgrößen oft weniger genau steuerbar. Deshalb stehen Validität, also die Gültigkeit einer Messung oder Untersuchung, und Reliabilität, also ihre Zuverlässigkeit, im Vordergrund. Wichtig ist die Kontrolle von Störfaktoren. Bei der von R. A. Fisher entwickelten Randomisierung werden Behandlungsbedingungen und Versuchspersonen zufällig Gruppen zugeteilt. So soll verhindert werden, dass bereits vorhandene Unterschiede fälschlich als Wirkung einer Behandlung gelten. Vollständige Randomisierung ist jedoch bei vorgegebenen Gruppen von Klienten, Schülern oder Mitarbeitern oft nicht möglich.

Laborexperimente erlauben eine starke Kontrolle von Störvariablen; Feldexperimente finden in natürlicher Umgebung statt. Seit Mitte der 1990er Jahre gibt es Web-Experimente, die Eigenschaften beider Formen verbinden. In Medizin, Biologie und Pharmakologie heißen Untersuchungen mit Gruppen von Individuen meist klinische Studien. Sie können Interventions- oder Beobachtungsstudien sein und etwa Dosis-Wirkungs-Beziehungen sowie Nebenwirkungen von Arzneimitteln untersuchen.

Lernen, Teilgebiete und typische Beispiele

Experimente vermitteln nicht nur neue Forschungserkenntnisse, sondern auch bekannte Inhalte in Schule, Hochschule und Berufsausbildung. Demonstrationsexperimente werden meist von Lehrenden vorgeführt und erklärt. Lernendenexperimente, darunter Praktikumsexperimente, werden von Schülern oder Studierenden selbst durchgeführt und ausgewertet.

Durch Fortschritte in Theorie, Experimentatorik und Zusammenarbeit zwischen Fächern entstanden Teilgebiete wie Experimentalphysik, Experimentalpsychologie, Experimentelle Ökonomie, Experimentelle Philosophie und Experimentelle Archäologie. Auch die Numerische Mathematik kann als experimentelle Disziplin gelten. Die Astronomie war früher überwiegend beobachtend; Raumfahrtmissionen können heute als experimentelle Astronomie verstanden werden. Die Biologie kann Prozesse gezielt beeinflussen sowie zu langsame oder zu schnelle Vorgänge durch Beschleunigung oder Verlangsamung untersuchbar machen.

Bekannte Beispiele sind Alhazens optische Versuche mit der „Camera Obscura“, Galileo Galileis Versuche zum freien Fall von 1623, Thomas Youngs Doppelspaltexperiment von 1802 zum Nachweis der Welleneigenschaften des Lichts und Ernest Rutherfords Streuversuche von 1910 zum Nachweis des Atomkerns. Das Michelson-Morley-Experiment von 1881 untersuchte die Unabhängigkeit der Lichtgeschwindigkeit von der Bewegung der Erde. Am LHC zeigte die Suche nach dem Higgs-Teilchen 2012 erste Erfolge.

Experiment in Kunst und Recht

In der europäischen Kunst besteht eine enge Beziehung zu naturwissenschaftlichen Erkenntnissen. Künstler setzten neue Erkenntnisse um oder arbeiteten selbst experimentell, etwa bei der Zentralperspektive, bei Leonardo da Vinci oder in Eadweard Muybridges fotografischen Bewegungsstudien. Émile Zola verstand seine Romane in Le roman expérimental (1880) als experimentelle Anordnungen mit sozialwissenschaftlichem Erkenntniswert.

Künstlerisches Experimentieren soll neue Ausdrucksformen, Medien, Kombinationen und Perspektiven erschließen und den Kunstbegriff erweitern oder überprüfen. Anders als wissenschaftliche Experimente müssen künstlerische Experimente nicht reproduzierbar sein und können diese Forderung bewusst ablehnen. Sie können auch scheitern, etwa an eigenen Ansprüchen oder an der Ablehnung durch das Publikum.

Auch rechtliche Lösungen werden versuchsweise entwickelt, überprüft und bei Bedarf korrigiert. Dabei muss das Recht an veränderte Lebensverhältnisse angepasst werden, ohne die Rechtssicherheit unnötig zu gefährden. Neue Regelungen sollen voraussichtlich befolgt und durchgesetzt werden können, ihren Zweck erreichen und unerwünschte Nebenwirkungen berücksichtigen. Außerdem müssen sie mit dem Gerechtigkeitsempfinden der Mehrheit, dem rechtlichen Kontext und den Leitideen der jeweiligen Kultur vereinbar sein.