Naturwissenschaft

Begriff, Ziel und Abgrenzung

Naturwissenschaften sind empirisch arbeitende Wissenschaften, die die belebte und unbelebte Natur erforschen. Sie beobachten, messen und analysieren natürliche Zustände und Vorgänge, um Regelmäßigkeiten zu erkennen, Phänomene zu erklären und Natur nutzbar zu machen. Ihre Ergebnisse sollen reproduzierbar sein: Eine Untersuchung muss unter denselben relevanten Bedingungen wiederholt werden können und innerhalb der Messgenauigkeit gleiche Ergebnisse liefern.

Moderne Naturwissenschaft beruht auf methodischem Naturalismus. Das bedeutet, dass sie für beobachtbare Phänomene ausschließlich natürliche und empirisch überprüfbare Erklärungen sucht. Ob grundsätzlich alle Phänomene naturwissenschaftlich erklärbar sind, wie der physikalistische Naturalismus annimmt, ist umstritten; unter Wissenschaftlern gibt es dazu keine einheitliche Position.

Naturwissenschaften gehören zu den empirischen Wissenschaften und werden klassisch von Geistes- und Sozialwissenschaften unterschieden. Wegen zahlreicher Überschneidungen besteht jedoch kein allgemein anerkannter Plan zur Einteilung aller Wissenschaften. Naturwissenschaften mit besonders starkem mathematischem Zugang heißen exakte Wissenschaften. Auch die Mathematik ist exakt, untersucht aber abstrakte Strukturen und wird deshalb zusammen mit der Informatik häufig den Strukturwissenschaften zugeordnet.

Naturwissenschaftliche Erklärungen fragen vor allem nach dem Wie eines Vorgangs, nicht nach dessen Zweck. Regen entsteht beispielsweise nicht „damit Pflanzen wachsen“, sondern weil Wasser verdunstet, aufsteigt, sich in Wolken sammelt und schließlich kondensiert. Solche Erklärungen führen Beobachtungen auf Naturgesetze oder bereits bekannte Sachverhalte zurück. Teleologische Fragen, also Fragen nach Zweck oder Ziel, stehen nicht im Mittelpunkt.

Historische Entwicklung

Naturwissenschaftliche Erkenntnisse entstanden sowohl aus handwerklich-technischen Tätigkeiten als auch aus gelehrten Traditionen. Alte Kulturen gewannen besonders in der Astronomie teilweise genaue Erkenntnisse, deuteten sie aber oft mythologisch. Die griechische Naturphilosophie verband Naturbeobachtung mit Philosophie und Mathematik. Sie entwickelte unter anderem die Vier-Elemente-Lehre, den Atomismus und das geozentrische Weltbild. Die Kugelgestalt der Erde wurde spätestens von Aristoteles überzeugend begründet; außerdem erklärte man Finsternisse und bestimmte den Erdumfang durch Winkelmessung und Geometrie recht genau. Nach dem Zerfall des Römischen Reiches im 5. Jahrhundert n. Chr. ging viel Wissen verloren. Im mittelalterlichen Europa entwickelte sich Naturforschung unter dem Vorrang von Theologie und Philosophie nur langsam.

In der Renaissance nahm das Interesse an genauer Naturbeobachtung wieder zu. Nikolaus Kopernikus entwarf ein System, in dem sich die Erde um die Sonne bewegt. Es erklärte die scheinbar komplizierten Planetenbahnen einfacher als das ptolemäische System, war zunächst aber nicht genauer. Francis Bacon und Galileo Galilei forderten eine experimentelle Naturforschung; Galilei trieb besonders die mathematische Auswertung von Messdaten voran. Johannes Kepler leitete aus Tycho Brahes Messungen elliptische Planetenbahnen ab. Galileis Beobachtung der Jupitermonde und Venusphasen sowie Isaac Newtons Mechanik und Gravitationsgesetz stützten das neue Weltbild. Diese Umwälzung des 16. und 17. Jahrhunderts heißt kopernikanische Wende beziehungsweise naturwissenschaftliche Revolution.

Der Beginn der modernen Naturwissenschaft wird häufig im 17. Jahrhundert angesetzt, ist aber nicht eindeutig festgelegt. Kennzeichnend sind eine geregelte wissenschaftliche Berufspraxis, systematische Methoden und zunehmende Spezialisierung. Gesellschaften, Akademien und neue Universitäten festigten die Forschung. In Frankreich prägten René Descartes und die Deduktion die theoretische Beschreibung; in England förderte Bacons Empirismus experimentelle und technische Arbeiten. Dies gilt als ein Grund dafür, dass die Industrielle Revolution in der zweiten Hälfte des 18. Jahrhunderts in England begann.

Seit dem 18. Jahrhundert entstanden eigenständige Fächer wie Biologie, Chemie, Geologie und Physik, die einander ergänzten. In der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts veränderten Quantenphysik und Relativitätstheorie das Naturverständnis grundlegend. Max Planck und Albert Einstein zeigten, dass Energie, auch in Lichtwellen, in diskreten Größen vorkommt. Einstein entwickelte 1905 die spezielle und 1915 die allgemeine Relativitätstheorie. Die Quantenmechanik der 1920er und 1930er Jahre beschreibt atomare Objekte nur teilweise anschaulich: Nach der Heisenbergschen Unschärferelation können bestimmte Teilcheneigenschaften nicht gleichzeitig beliebig genau gemessen werden; der Aufenthaltsort von Elektronen lässt sich nur durch Wahrscheinlichkeiten angeben. Im Zweiten Weltkrieg und im Kalten Krieg wurde besonders die Nukleartechnik massiv gefördert. Für den Ausbau großer Forschungseinrichtungen etablierte sich der Begriff Großforschung.

Empirische Forschung und logische Verfahren

Naturwissenschaft setzt voraus, dass die Natur existiert, natürliche Vorgänge gesetzmäßig ablaufen und innerhalb bestimmter Grenzen Wissen über sie möglich ist. Empiristen beschränken wissenschaftliche Erkenntnis auf Beobachtungen und sehen Theorien nicht als Aussagen über die Natur selbst. Das ist problematisch, weil viele Gegenstände – etwa Atome, elektrische Felder, Quasare oder DNA-Moleküle – nur indirekt mithilfe von Geräten und theoretischer Datendeutung untersucht werden. Wissenschaftliche Realisten verstehen Theorien dagegen als idealisierte, aber näherungsweise zutreffende Beschreibungen der Realität. Sie beanspruchen damit das bestgesicherte verfügbare Wissen, jedoch keine endgültigen Wahrheiten. Auch diese Position ist umstritten.

Empirie bedeutet Erkenntnisgewinn durch Erfahrung, Beobachtung und Messung. Im Experiment werden Vorgänge häufig unter kontrollierten Laborbedingungen erzeugt und quantitativ untersucht. Feldforschung beobachtet natürliche Prozesse oder erhebt Stichproben. Für zuverlässige Ergebnisse müssen Messgenauigkeit, Reliabilität der Daten und Validität des Versuchsaufbaus geprüft werden; häufig kommen statistische Verfahren hinzu.

Galileis Fallversuche zeigen dieses Vorgehen. Entgegen Aristoteles hängt die Fallzeit nicht von der Masse, sondern bei Luft von Form und Luftreibung ab. Ein gleich großer Tischtennisball und eine Bleikugel erreichen aus derselben Höhe gleichzeitig den Boden. Galilei verlangsamte die zum freien Fall analoge Bewegung auf einer schiefen Ebene, um Messunsicherheiten zu verringern.

Induktion schließt von einzelnen Beobachtungen auf eine allgemeine Regel. Galilei fand beim freien Fall eine lineare Beziehung zwischen Zeit und Geschwindigkeit, ausgedrückt durch die konstante Erdbeschleunigung. Induktive Schlüsse sind jedoch nicht endgültig begründbar: David Hume zeigte, dass Erfahrung allein kein allgemeines Gesetz beweist. Versuche, induktiven Aussagen Wahrscheinlichkeiten zuzuordnen, wurden unter anderem von Karl Popper kritisiert.

Deduktion leitet aus einer als wahr angenommenen Hypothese logisch prüfbare Aussagen ab. Aus der Annahme, dass die Fallgeschwindigkeit direkt proportional zur Fallzeit ist, folgt mathematisch, dass die Strecke quadratisch mit der Zeit zunimmt. Robert Boyle überprüfte 1659 außerdem in einem evakuierten Glaszylinder die Folgerung, dass Feder und Stein ohne Luftreibung aus gleicher Höhe gleichzeitig fallen. Extrapolation überträgt bekannte Gesetzmäßigkeiten auf einen noch nicht untersuchten Bereich; Interpolation bestimmt einen unbekannten Zustand innerhalb eines bekannten Bereichs. Auf die Zukunft gerichtete deduktive Aussagen heißen Vorhersagen, beispielsweise die Berechnung von Sonnen- und Mondfinsternissen.

Hypothesen, Theorien und mathematische Modelle

Eine Hypothese ist eine zunächst unbelegte Aussage über einen Naturprozess. Sie wird auf Plausibilität geprüft und nach erfolgreicher experimenteller Prüfung als bestätigte Hypothese bezeichnet. Eine Theorie ist ein widerspruchsfreies System vieler bestätigter und allgemein anerkannter Aussagen. Sie beruht auf grundlegenden Forderungen, den Postulaten oder Axiomen, und soll möglichst viele Beobachtungen mit möglichst wenigen Grundannahmen beschreiben und erklären. Besonders gut bestätigte zentrale Aussagen heißen vor allem in der Physik Naturgesetze. Sie sind meist mathematisch formuliert und enthalten Naturkonstanten, also wichtige Messwerte, die sich räumlich und zeitlich nicht verändern.

Naturwissenschaftliche Aussagen können anders als mathematische Sätze nicht endgültig bewiesen werden. Positive Prüfungen liefern Nachweise und lassen eine Theorie als bewährt gelten; neue Befunde können sie jedoch einschränken oder falsifizieren, also widerlegen. Poppers Beispiel „Alle Schwäne sind weiß“ zeigt das Problem der Verifikation: Noch so viele beobachtete weiße Schwäne beweisen die Aussage nicht, ein einziger nicht weißer Schwan widerlegt sie aber. Theorien sollen daher grundsätzlich überprüfbar und vorläufig bleiben.

Reduktion führt verschiedene Regelmäßigkeiten auf allgemeinere Mechanismen oder Gesetze zurück. Newton erklärte durch sein Gravitationsgesetz sowohl den Fall eines Steins als auch die Anziehung zwischen Sonne und Erde sowie die Gezeiten. Ob letztlich alle Wissenschaften auf eine Grundwissenschaft wie die Physik zurückgeführt werden können, ist umstritten. Gegen einen vollständigen Reduktionismus wird unter anderem Emergenz angeführt: Ein Gesamtsystem kann Eigenschaften besitzen, die seine einzelnen Bestandteile nicht haben.

Mathematik gilt als besonders genaues Mittel zur Naturbeschreibung. Das Archimedische Prinzip besagt etwa, dass auf einen Körper in einer Flüssigkeit eine Auftriebskraft wirkt, die genauso groß ist wie die Gewichtskraft der verdrängten Flüssigkeit. Deshalb können auch schwere Schiffe schwimmen. Die Queen Mary 2 verdrängt bei knapp zehn Metern Tauchtiefe genug Wasser, um die Gewichtskraft ihrer bis zu 150.000 Tonnen im beladenen Zustand auszugleichen. Wissenschaftliche Modelle verbinden mathematisch-logische Strukturen mit empirischen Befunden. Bestehende Theorien werden durch neue Daten laufend geprüft, verändert, verworfen oder durch bessere ersetzt.

Fachgebiete und Anwendungen

Die fünf Hauptrichtungen sind Astronomie, Geowissenschaften, Biologie, Chemie und Physik. Die Astronomie untersucht Himmelskörper sowie Aufbau und Entwicklung des Universums und nutzt besonders Physik und Mathematik. Die Geowissenschaften erforschen Entstehung, Entwicklung und heutige Gestalt der Erde; dazu gehören unter anderem Geodäsie, Geologie, Meteorologie und Klimatologie. Die Biologie untersucht Lebewesen und die abiotischen, also unbelebten, Umweltfaktoren, die Leben beeinflussen. Die Chemie erforscht Aufbau, Eigenschaften und Umwandlung von Stoffen; organische Chemie behandelt vor allem kohlenstoffhaltige Verbindungen, anorganische Chemie kohlenstofffreie Verbindungen und Elemente wie Metalle oder Salze. Die Physik untersucht Materie und Energie in Raum und Zeit. Experimentalphysik schafft durch Versuche die empirische Grundlage, theoretische Physik entwickelt mathematische Modelle.

Viele Gebiete sind interdisziplinär. Biophysik untersucht biologische Strukturen und Prozesse mit physikalischen Verfahren. Bioinformatik bereitet biologische Daten auf, speichert und analysiert sie und simuliert Prozesse dreidimensional. Umweltwissenschaften verbinden naturwissenschaftliche, medizinische, psychologische und soziologische Ansätze, um menschliche Umwelteinwirkungen und ihre Folgen zu untersuchen.

Angewandte Naturwissenschaften überbrücken den Weg von der Grundlagenforschung zur praktischen und wirtschaftlichen Nutzung. Dazu zählen wichtige Teile der Medizin, Agrarwissenschaften, Materialwissenschaften sowie Bereiche der Halbleiter- und Energietechnik. Die Bionik sucht gezielt technische Anwendungen biologischer Strukturen. Beim Lotuseffekt perlen Wassertropfen von der Blattoberfläche ab und entfernen Schmutz; durch Nachahmung dieser Struktur entstanden wasserabweisende, selbstreinigende Beschichtungen. Ingenieurwissenschaften nutzen Naturgesetze zur Entwicklung technischer Lösungen. Naturwissenschaftler arbeiten unter anderem in Bildung und Forschung, Unternehmen, Behörden, Beratung, Vermessung, Denkmalpflege, Museen und Medien.

Bedeutung für Gesellschaft, Bildung und Verantwortung

Seit dem 17. Jahrhundert veränderten naturwissenschaftliche Erkenntnisse zusammen mit Aufklärung, Industrialisierung und technischer Entwicklung besonders die westlichen Gesellschaften. Naturwissenschaft prägt heute Weltbilder und nahezu alle Bereiche des Alltags. C. P. Snow beschrieb 1959 Natur- und Geisteswissenschaften als „zwei Kulturen“, die schwer voneinander getrennt seien. Diese These gilt heute wegen wachsender Interdisziplinarität und zahlreicher Zwischenbereiche als überholt.

In Deutschland beginnt naturwissenschaftliche Bildung in der Grundschule im Heimat- und Sachunterricht. Später werden je nach Schulart und Bundesland Fächer wie Biologie, Chemie, Physik, Astronomie, Erdkunde und Informatik getrennt oder zusammengefasst unterrichtet. Mathematik vermittelt dazu unter anderem Trigonometrie, lineare Algebra, Stochastik sowie Differential- und Integralrechnung. Ein Studium an Universität oder Fachhochschule verbindet Vorlesungen, Seminare, Selbststudium, Prüfungen und Praktika; mögliche Abschlüsse sind Bachelor, Master, Diplom oder Staatsexamen. Promotion und Habilitation ermöglichen weitere wissenschaftliche Qualifikation. 2010 legten von 361.697 Absolventen an 386 deutschen Hochschulen 63.497 beziehungsweise 17,6 % ihre Prüfung im mathematisch-naturwissenschaftlichen Bereich ab; 59.249 beziehungsweise 16,4 % schlossen Ingenieurwissenschaften ab. Die Frauenanteile betrugen 41,0 % beziehungsweise 22,2 %.

Naturwissenschaft selbst formuliert keine moralischen oder weltanschaulichen Urteile, ihre Erkenntnisse können aber für problematische Zwecke eingesetzt werden. Weltkriege, Kernwaffen und Wettrüsten machten die Verantwortung von Forschenden besonders sichtbar. Umstritten sind unter anderem die friedliche Nutzung der Kernenergie, Embryonenforschung, Tierversuche, Artenschutz und der Umgang mit Umweltverschmutzung.

Auch das Verhältnis von Naturwissenschaft und Religion wird unterschiedlich beurteilt. Materialistische und naturalistische Positionen lehnen übernatürliche Erklärungen ab und führen auch Bewusstsein auf materielle Prozesse zurück. Andere Wissenschaftler und Theologen verstehen beide Bereiche als komplementär: Naturwissenschaft beschreibe die objektive Außensicht, Religion eine subjektive Innensicht. Welche Betrachtung wichtiger ist, lasse sich danach nicht objektiv entscheiden.

Literatur, Film und Fernsehen greifen wissenschaftlichen Fortschritt, Verantwortung und das Bild des Forschers häufig auf. Friedrich Dürrenmatts „Die Physiker“ behandelt die Gefahren einer wissenschaftlichen Entdeckung im Atomzeitalter; Science-Fiction entwirft technisch geprägte zukünftige Welten. Populärwissenschaftliche Bücher und Sendungen vermitteln Forschung verständlich, während fiktionale Darstellungen Wissenschaftler teils als außergewöhnliche Problemlöser, teils stereotyp als sozial unbeholfene Genies zeigen.