Wikipedia · einfach zusammengefasst · Stand
Naturtheorie
Eine Naturtheorie ist eine Theorie zur Beschreibung und Erklärung der äußeren, nicht von Menschen gemachten Wirklichkeit (der „unkultivierten“ Natur) im …
Inhalt6 Abschnitte
Begriff, Ziel und Erkenntnisproblem
Eine Naturtheorie beschreibt und erklärt die äußere, nicht von Menschen gemachte Wirklichkeit im Unterschied zu Kultur und Gesellschaft. Sie versucht, natürliche Phänomene interdisziplinär auf wenige Grundprinzipien zurückzuführen oder die Gültigkeit angenommener beziehungsweise durch Beobachtung und Forschung entdeckter Prinzipien in verschiedenen Bereichen nachzuweisen. Naturtheorien sind umfassender als einzelne Naturgesetze: Gerade frühe „Prototheorien“ waren oft ungenau, phänomenologisch oder metaphorisch und lagen zwischen Mythos, Philosophie und empirischer Wissenschaft.
Naturtheorien wählen stets bestimmte Perspektiven aus. Deshalb können sie fruchtbar sein, aber auch unzulässig verallgemeinert werden. Wiederkehrende Fragen betreffen Materie, Kraft, Raum, Bewegung, Leben, Kausalität und die Möglichkeit einer einheitlichen Theorie. Atomistische Ansätze erklären ein Ganzes aus weitgehend selbständigen Teilen; holistische Ansätze nehmen an, dass Teile ihre Eigenschaften erst durch das Ganze erhalten. Die Quantentheorie legt beispielsweise eine holistische Betrachtung von Quantensystemen nahe und ersetzt den klassischen Raumbegriff teilweise durch den Begriff des Feldes.
Naturtheorien sind historische Gebilde. Sie hängen sowohl von Beobachtungen und technischen Instrumenten als auch von kulturellen, sozialen und wirtschaftlichen Bedingungen ab. Viele ehemals gut begründete Theorien erwiesen sich später als falsch. Dennoch konnten sie Forschung fördern: Die Phlogistontheorie ordnete Verbrennungsbeobachtungen, bevor die Sauerstofftheorie sie ablöste. Die antike Atomtheorie blieb dagegen mangels technischer Prüfmöglichkeiten lange folgenlos und wurde erst um 1910 so überzeugend bestätigt, dass sie allgemein anerkannt wurde.
Die Grenze zwischen Natur und Kultur ist zunehmend unscharf. Wissenschaft und Technik erzeugen künstliche superschwere Elemente und gentechnisch veränderte Lebewesen und verändern ganze Erdsysteme. Dafür wurde die Bezeichnung Anthropozän vorgeschlagen; Antonio Stoppani sprach 1873 vom „Anthropozoikum“. Umstritten bleibt, wo natürliche Grenzen menschlicher Eingriffe verlaufen und wie Naturwissenschaft, Naturphilosophie und gesellschaftliche Naturverhältnisse voneinander abzugrenzen sind.
Von Mythos und Urstoffen zu Naturgesetzen
Frühe Kulturen deuteten Naturerscheinungen meist mythisch und teleologisch, also durch Absichten und Zwecke göttlicher Mächte. Babylonische Gelehrte verbanden solche Erklärungen jedoch mit Messungen und astronomischen Beobachtungen. Auch der Totemismus ordnete Naturerfahrungen, verstand den Menschen aber als Teil eines umfassenden Zusammenhangs von Lebewesen und Ereignissen.
Die vorsokratischen Philosophen suchten seit dem 6. Jahrhundert v. Chr. nach nichtmythischen Erklärungen. Thales erklärte Wasser zum Urstoff und erkannte, dass es in verschiedenen Aggregatzuständen dieselbe Substanz bleibt. Anaximander nahm mit dem Apeiron ein ewiges, unbegrenztes und qualitativ unbestimmtes Urprinzip an. Anaximenes erklärte Stoffumwandlungen durch Verdichtung und Verdünnung der Luft. Heraklit betonte Bewegung, Gegensätze und das Feuer als generatives Prinzip. Empedokles führte Feuer, Luft, Wasser und Erde als gleichberechtigte „Wurzeln“ sowie Liebe und Hass als Kräfte der Mischung und Trennung ein. Damit deutete sich die Erklärung qualitativer Unterschiede durch quantitative Mischungsverhältnisse an.
Pythagoras und seine Schule suchten die Ordnung des Kosmos nicht in einem Stoff, sondern in Zahlenverhältnissen und Harmonien. Dieser Gedanke bereitete die Mathematisierung der Natur vor. Platon entwickelte einen mathematischen Atomismus: Die vier Elemente entsprachen geometrischen Körpern wie Tetraeder, Oktaeder, Würfel und Ikosaeder.
Aristoteles untersuchte Veränderung mit seiner Vier-Ursachen-Lehre: Material, Form, Veränderungsanstoß und Ziel. Natur war für ihn das, was die Ursache seiner Bewegung in sich selbst trägt. Seine Erklärung war vielfach teleologisch, weil er in Lebewesen ein inneres Streben zur Verwirklichung ihres Wesens annahm. Kosmische Bewegungen galten ihm als ewig, gleichmäßig und kreisförmig; irdische Bewegungen konnten natürlich, gewaltsam oder selbsttätig sein.
Leukipp und Demokrit erklärten Veränderung durch unteilbare Atome, die sich in einem teilweise leeren Raum bewegen und durch Form unterscheiden. Für Leukipp geschah nichts ohne Grund und Notwendigkeit; daraus folgte ein strenger Determinismus ohne göttliche Zwecklenkung. Epikur ergänzte zufällige Abweichungen der fallenden Atome und schwächte so den Determinismus. Der Atomismus blieb fast 2000 Jahre vom aristotelischen Naturbild verdrängt, erfüllte aber bereits grundlegende Anforderungen an eine diskutierbare wissenschaftliche Hypothese.
Mittelalter und wissenschaftliche Revolution
Im christlichen Mittelalter überwog häufig die Glaubensgewissheit gegenüber der sinnlichen Anschauung. Augustinus stand dem Platonismus nahe; seit dem 12. Jahrhundert wurde der Aristotelismus in die christliche Dogmatik aufgenommen. Naturwissenschaft und Naturphilosophie waren noch nicht getrennt. Roger Bacon verlangte jedoch unter dem Einfluss Alhazens, Aussagen von Autoritäten experimentell zu prüfen. Petrus Peregrinus beschrieb im 13. Jahrhundert nach Versuchen mit Kompassnadeln die Polarität von Magneten.
Die neuplatonische Lichtmetaphysik wertete Licht als erste körperliche Form. Obwohl diese Lehre theologisch geprägt war, förderte sie die geometrische Optik und Experimente. Der Nominalismus richtete den Blick stärker auf wahrnehmbare Einzeldinge. Wilhelm von Ockham zufolge sind Verallgemeinerungen sprachliche Gebilde, während Individuen wirklich sind. Johannes Buridans Impetustheorie nahm eine auf bewegte Körper übertragene Kraft an. Dennoch blieb der Abstand zur späteren Mechanik Galileis groß.
In der frühen Neuzeit machte Francis Bacon Messinstrumente, Experimente und technische Nutzbarkeit zu Grundlagen der Erkenntnis. Naturgesetze waren für ihn zugleich Regeln zur Herstellung nützlicher Wirkungen. Astronomische Beobachtungen erschütterten das geozentrische Weltbild: Kopernikus entwickelte das heliozentrische Modell, Tycho Brahe verbesserte die Beobachtungstechnik, und Johannes Kepler berechnete die Planetenbahnen. Galileo Galilei veröffentlichte 1610 im Sidereus Nuncius Fernrohrbeobachtungen, darunter die Monde des Jupiter. Ole Rømer nutzte deren Umläufe 1676, um die Endlichkeit der Lichtgeschwindigkeit nachzuweisen und ihr Verhältnis zur Erdgeschwindigkeit größenordnungsmäßig richtig zu bestimmen.
Robert Boyles Luftpumpenexperimente verdeutlichten den Konflikt zwischen wiederholbarem Experiment und der Forderung nach logisch zwingender Kausalerklärung. Boyle beschrieb Wirkungen; Thomas Hobbes hielt den Schluss von Wirkungen auf Ursachen für hypothetisch. Die pragmatische experimentelle Position Boyles setzte sich durch. Zugleich wurde das Maschinenparadigma bestimmend: Natur, Tiere und menschlicher Körper erschienen als mechanische Systeme. Descartes trennte die ausgedehnte Materie, res extensa, vom Denken, res cogitans. Newtons Mechanik, sein Gravitationsgesetz und sein absoluter Raum ermöglichten mathematische Deduktionen und wirkten zeitweise wie eine universelle Naturtheorie. Chemische Reaktionen, Fernwirkungen und Lebensprozesse ließen sich damit jedoch nur unzureichend erklären.
Aufklärung, Klassifikation und geschichtliche Natur
In der Aufklärung wurden Beobachtung, Experiment und systematische Ordnung des Wissens ausgebaut. Gelehrtengesellschaften wie die 1660 gegründete und 1662 offiziell anerkannte Royal Society förderten Messungen und Instrumente. Robert Hooke begann 1663 dauerhafte Wetterbeobachtungen und prägte durch Mikroskopie den biologischen Begriff der Zelle. Die Phlogistontheorie Georg Ernst Stahls erklärte Verbrennung zunächst durch die Abgabe eines hypothetischen Stoffes. Antoine Laurent de Lavoisier klärte dagegen die Oxidation; sein Traité élémentaire de chimie von 1789 gilt als erstes Werk der wissenschaftlichen Chemie. Seine Nomenklatur von 1787 führte bereits 31 Elemente auf.
Carl von Linné schuf die binomiale beziehungsweise binäre Klassifikation: Der erste Namensteil bezeichnet die Gattung, der zweite die Art. Seine Ordnung erleichterte eine präzise Benennung, war aber bewusst künstlich und stellte die Natur als statische, harmonische Schöpfung dar. Georges Buffon kritisierte starre Klassifikationen und betonte die Geschichte der Erde und der Lebewesen. Er schätzte das Erdalter einmal auf 70.000, an anderer Stelle auf 500.000 Jahre. Nicolaus Stenos stratigraphisches Prinzip – tiefere Gesteinsschichten sind älter – und die Deutung von Fossilien bereiteten die Vorstellung einer geologischen „Tiefenzeit“ vor.
Die Lehre von der Spontanzeugung wurde durch Experimente schrittweise widerlegt; Lazzaro Spallanzani zeigte 1768 endgültig, dass aus sterilem Material kein Leben entsteht. Zugleich suchten Maupertuis, Diderot und andere nach Übergängen zwischen unbelebter und belebter Materie. Immanuel Kant lehnte den Hylozoismus, also die Annahme lebender Materie, als widersprüchlich ab.
Kant erklärte in seiner Allgemeinen Naturgeschichte und Theorie des Himmels die Entstehung des Kosmos aus ungleich verteilter Urmaterie durch Anziehung und Abstoßung. Orte höherer Dichte ziehen weitere Materie an; Planetensysteme ordnen sich zu Galaxien. Die ähnliche Kant-Laplace-Theorie kam weitgehend ohne metaphysische Annahmen aus. Gegen einen bloßen Empirismus betonte Kant, dass Erkenntnis durch Vernunft, Mathematik und planmäßige Experimente entsteht. Naturgesetze werden nicht einfach abgelesen; die Vernunft stellt Fragen, die im Experiment geprüft werden.
Romantik, Evolution und industrielle Wissenschaft
Um 1800 reagierten Romantik und Idealismus auf die Zersplitterung der Wissenschaften und die Grenzen des mechanistischen Weltbildes. Goethe suchte in den Metamorphosen der Organismen nach einer „Urform“. Schelling verstand Natur als unabschließbare Produktivität, in der Anziehung, Ausdehnung, Gravitation, Licht, chemische, elektrische und magnetische Kräfte zusammenhängen. Der Vitalismus nahm eine besondere Lebenskraft an, weil organische Prozesse noch nicht physikalisch-chemisch erklärt werden konnten. Alexander von Humboldt widerrief 1797 seine eigene Lebenskraftthese und deutete Organismen als komplexe physikalisch-chemische Wechselwirkungen.
Humboldts Kosmos verband genaue Messung mit einer ganzheitlichen Darstellung. Am Chimborazo untersuchte er Beziehungen zwischen Höhe, Klima, Vegetation und Pflanzengruppen. Die später „Humboldtian Science“ genannte Arbeitsweise betrachtete Natur als Netz wechselwirkender Kräfte und wurde wegweisend für die Ökosystemforschung. Charles Lyell erklärte die Erdgestaltung durch kontinuierlich wirkende Kräfte. Jean-Baptiste de Lamarck nahm einen dauernden Artenwandel, Anpassung an die Umwelt und die Vererbung erworbener Eigenschaften an.
Zwischen etwa 1840 und 1890 trennten sich die Disziplinen stärker; Nutzen, Laborarbeit und Positivismus gewannen Vorrang. Die Thermodynamik entstand aus der Untersuchung von Wärme und Dampfmaschinen. Carnot erkannte, dass Temperaturunterschiede bewegte Kraft erzeugen können. Robert Mayer und James Prescott Joule zeigten die Umwandelbarkeit von Wärme und mechanischer Energie; Helmholtz formulierte den Energieerhaltungssatz. Das Entropiegesetz machte zugleich deutlich, dass energetische Umwandlungen Grenzen besitzen.
Darwins Evolutionstheorie verband deduktive Überlegungen mit Beobachtungen und morphologischen Vergleichen. Natürliche Selektion, Variation, Konkurrenz und Anpassung erklärten zweckfreie Veränderung ohne festgelegten Entwicklungsplan. Sozialdarwinistische Übertragungen auf Gesellschaften verfälschten die Theorie jedoch deterministisch und dienten bis hin zum Genozid zur Legitimation von Herrschaft. Spätere Ansätze erklärten Selbstorganisation genauer: Erwin Schrödinger beschrieb Leben als lokale Entropieabnahme, Ilya Prigogine geordnete dissipative Strukturen in offenen Systemen, Alan Turing 1952 chemische Musterbildung und Humberto Maturana sowie Francisco Varela in den 1970er Jahren Autopoiesis, also die Selbstorganisation und Selbstreproduktion lebender Systeme.
Moderne Physik und Wandel des Theoriebegriffs
Seit dem späten 19. Jahrhundert verlor die anschauliche, stoffliche Naturvorstellung an Geltung. Ernst Mach betrachtete Naturgesetze, Kräfte und Atome als Hilfsmittel zur Ordnung von Sinneseindrücken und wollte Kausalbeziehungen durch mathematische Funktionen ersetzen. Elektromagnetische Felder konnten ohne materiellen Träger oder Äther im Vakuum bestehen; die Maxwell-Gleichungen beschrieben ihre Beziehungen zu Ladungen und Strömen. Materie, Raum und Feld ließen sich daher nicht länger nach klassischem Muster trennen.
Die Quantenphysik beendete den klassischen Determinismus. Max Planck zeigte, dass Energie zwischen Strahlung und Materie nur in Quanten übertragen wird. Albert Einstein erklärte den photoelektrischen Effekt durch Lichtquanten, Louis de Broglie schrieb 1924 auch massenbehafteten Teilchen Wellencharakter zu. Ort und Geschwindigkeit sind im mikroskopischen Bereich nur als Wahrscheinlichkeitsverteilungen bestimmbar. Die experimentell bestätigte Verletzung der Bellschen Ungleichung widerlegte seit den 1960er Jahren Einsteins Hoffnung auf lokale verborgene Variablen: Eine Messung liest einen vorher feststehenden Wert nicht bloß ab, sondern stellt das Ergebnis erst her. Alternative Deutungen der Quantenmechanik bleiben wegen des Messproblems umstritten.
Relativitätstheorie und Quantentheorie erschütterten zudem klassische Vorstellungen von Raum, Zeit, Ursache und objektiver Beobachtung. Ihr ungeklärtes Verhältnis führte zu einer anhaltenden Grundlagenkrise. Die Quantenfeldtheorie deutete Lösungen mit negativer Energie als Antiteilchen positiver Energie; zusammen mit der Heisenbergschen Unschärferelation ergaben sich neue Probleme wie kurzzeitige Teilchen-Antiteilchen-Paare.
Auch der Begriff wissenschaftlicher Theorie wandelte sich. Der Konventionalismus von Henri Poincaré und Pierre Duhem betrachtete Theorien als zweckmäßige Ordnungen beziehungsweise Instrumente; Einfachheit, Kohärenz und sogar Ästhetik beeinflussen ihre Auswahl. Thomas S. Kuhn erklärte Wissenschaftsgeschichte durch Paradigmenwechsel und bestritt eine rein lineare Annäherung an die Wahrheit. Theorien besitzen relativ stabile Kerne und anpassbare Randannahmen; selten wird ein vollständiges System durch eine einzelne Beobachtung widerlegt. Damit verlagerte sich die Diskussion von einer umfassenden Theorie der Natur zunehmend zur Erkenntnistheorie, Wissenschaftsgeschichte und Wissenschaftssoziologie. Naturtheorien bleiben dennoch wichtig, weil sie einzelwissenschaftliches Wissen verbinden, seine Voraussetzungen sichtbar machen und das veränderliche Verhältnis von Mensch, Technik und Natur untersuchen.