Ingenieurbüro für Wärme- und Stoffübertragung

Wissenschaftliche Praxis

Es gibt viele naturwissenschaftliche Texte, die eher einer Werbebroschüre gleichen, als dass sie ihrem Namen gerecht werden. Diese Texte sind mit Schlagworten gefüllt wie Effizienz, Nachhaltigkeit, CO2-Neutral, Synergie, Rentabilität, Zukunft, Spitzenforschung und Wirtschaftlichkeit. Wissenschaftliche Sachverhalte werden allgemein und nichtssagend formuliert, ohne Angaben darüber, wie man die durchgeführten Versuche reproduzieren könnte. Zur Erhöhung der scheinbaren Wichtigkeit der wissenschaftlichen Texte wird viel Literatur von namhaften Leuten zitiert, die wiederum Leute zitieren die Leute zitieren, die Leute zitierten. Die ursprünglichen Experimente, die den zitierten wissenschaftlichen Arbeiten zu Grunde liegen, wurden in manchen Fällten vor sehr langer Zeit durchgeführt, und die originalen wissenschaftlichen Arbeiten der Leute, die im Labor die Experimente eigenhändig durchgeführt haben, sind lange vergessen. Andere wissenschaftliche Arbeiten nutzen die Theorie als Grundlage ihrer Argumentation, oder sie stützen sich auf Computersimulationen. Es gibt sogar Leute, die die Ergebnisse von Computersimulationen für so aussagekräftig halten, dass sie darauf die politische Richtung ganzer Staaten stützen. Aus diesem Grund ist es mir wichtig, die Bedeutung der naturwissenschaftlichen Praxis zu erläutern. Ich habe mich entschlossen, dies in Form von Fragen zu tun:

Was ist Naturwissenschaft?
Ich habe mal einen schönen Spruch gehört, der die Frage nach der Naturwissenschaft auf den Punkt bringt: “Naturwissenschaft ist die Summe aller möglichen Experimente.“

Was ist ein Experiment?
Die Beantwortung dieser Frage führt zu der Aussage, wie ein wissenschaftliches Experiment aufgebaut sein muss und welche Anforderungen es erfüllen muss: “Ein Experiment ist eine genau definierte, präparierte, reproduzierbare und dokumentierte Situation, bei der alle störenden Variablen ausgeschaltet oder kontrolliert werden und eine unabhängige Variable durch den Experimentator gezielt verändert wird. Ziel des Experiments ist die Beobachtung der Auswirkungen der Veränderung der unabhängigen Variable auf alle anderen abhängigen Variablen.” Wenn ein Experiment nicht reproduzierbar ist, dann ist das mit hoher Wahrscheinlichkeit ein Zeichen dafür, dass nicht alle störenden Variablen erkannt, ausgeschaltet oder kontrolliert wurden.

Was ist das Wesen eines Experiments?
Unser Verständnis der Natur ist begrenzt. Gerade die Tatsache dieses begrenzten Verständnisses macht das Experiment für uns so wertvoll. “Im Experiment beobachtet man immer das gesamte Universum. Gerade die Experimente mit einem unerwarteten Ergebnis sind besonders wertvoll, weil sie die Grenzen des Wissens erweitern.”

Was bedeutet Messen?
„Jede Maßeinheit ist das Ergebnis eines genau definiertes Experiments. Messen ist nichts weiter als der Vergleich einer beobachteten Größe mit dem Ergebnis des Experiments, das die Maßeinheit definiert.“ Selbst wenn wir die Natur nicht verstehen, können wir sie durch das Messen beschreiben. Das heißt auch, dass jeder physikalische Effekt, der in einem Experiment in Erscheinung tritt, messbar ist. Durch die Durchführung von Messungen werden die abhängigen und die unabhängigen Variablen sowie die Störgrößen kontrolliert. Die Wahl der Messverfahren muss dokumentiert werden, denn sie entscheidet mit über die Aussagekraft der Experimente.

Was ist eine physikalische Größe?
„Eine physikalische Größe ist das Produkt aus einer Zahl und einer Maßeinheit.“

Was ist eine Theorie?
„Eine Theorie ist ein Modell, mit dem die Beobachtungen in einem Experiment erklärt werden können. Es kann hierbei nur die Aussage getroffen werden, dass eine Theorie in einem konkreten Experiment zutreffend oder nicht zutreffend war, mehr nicht.“ Theorien werden oft dazu genutzt, um Vorhersagen über den Ausgang von Experimenten zu machen. Im Grunde genommen handelt es sich hierbei nie um Vorhersagen sondern um Schätzungen. Die Schätzungen können zutreffend sein, wenn keine anderen Störgrößen auftreten, die durch die verwendete Theorie nicht beschrieben werden.

Was ist ein physikalisches Gesetz?
„Ein physikalisches Gesetz ist eine Regel, die die Zusammenhänge der Veränderung von physikalischen Größen beschreibt. Einem physikalischen Gesetz liegen immer genau definierte physikalische Experimente zu Grunde.“
Das Wort “Gesetz” ist in diesem Zusammenhang sehr treffend, weil physikalische Gesetze genau so wie juristische Gesetze Festlegungen von Regeln durch deren Autor sind, mehr nicht. Bezüglich eines physikalischen Gesetzes kann stets nur die Aussage getroffen werden, ob es in einem Experiment zutreffend war oder nicht.

Was ist eine Beobachtung?
“Eine Beobachtung ist die bewusst herbeigeführte Wahrnehmung und Dokumentation der Strukturen und Muster eines auftretenden Phänomens.“  Beobachtungen und Mustererkennung sind eine Möglichkeit, die Charakteristika von komplexen Systemen zu erfassen.

Was ist ein komplexes System?
“Komplexe Systeme sind Systeme, die aus miteinander wechselwirkenden Systemen bestehen. Sie zeichnen sich im Allgemeinen dadurch aus, dass sie spontane Phänomene hervorbringen können und mehrere stabile Zustände besitzen.” Das Verhalten von komplexen Systemen ist nicht vorhersagbar. Die auftretenden Zustandsmuster der Phänomene, die ein komplexes System hervor bringt, sind für das betreffende komplexe System oft Charakteristisch, vergleichbar mit einem Fingerabdruck. Bei der Durchführung von Experimenten ist zu klären, ob im Experiment ein komplexes System vorliegt oder nicht.

Was ist eine Versuchsauswertung?
Die Versuchsauswertung beinhaltet folgende Aufgaben:

• Die Dokumentation des Experiments
• Die Dokumentation der gewählten Messverfahren und ihrer theoretischen Hintergründe
• Die Liste der durch die Messverfahren kontrollierten und beobachteten Variablen.
• Die Darstellung der Messergebnisse, graphisch, in Tabellenform oder in Textform. Die Darstellung sollte die praktische Anwendung der Messergebnisse erleichtern.
• Eventuell die Darstellung der Messergebnisse mit dimensionslosen Kennzahlen.
• Der Vergleich der Messergebnisse mit theoretischen Maximalwerten und Grenzen.
• Die Prüfung, ob bekannte wissenschaftliche Theorien im Experiment zutreffen.
• Die Formulierung erkennbarer Gesetzmäßigkeiten im Verhalten von Variablen.
• Eventuelle Schlussfolgerungen für die praktische Bedeutung der Messergebnisse.
• Die Betrachtung der Messfehler mit Hilfe einer Fehlerrechnung.
• Bereitstellung von Verweisen auf andere wissenschaftliche Arbeiten, die der Auswertung der Messergebnisse zu Grunde liegen.

 

Experimentelle Praxis in vielen Unternehmen

Viele Unternehmen stürzen sich im Blindflug in Vorhaben, ohne jemals ihre Vorhaben auf eine wissenschaftlich experimentelle Basis gestellt zu haben. Wie oft habe ich den Satz schon gehört „Das was wir vorhaben, kann man sowieso nicht berechnen. Wir müssen das einfach ausprobieren.“ So werden in vielen Unternehmen Experimente sträflich vernachlässigt. Entweder werden Experimente einfach nicht durchgeführt oder wenn sie durchgeführt werden, werden vermeintlich aus Zeitmangel die Störfaktoren in Experimenten nicht gesucht, nicht erkannt, nicht ausgeschaltet und nicht kontrolliert. Die Versuchsapparaturen werden nicht dokumentiert. Die Messgeräte werden schlecht behandelt, nicht gewartet, nicht regelmäßig geeicht. Experimente werden oft einfach so nebenbei im stressigen Alltag halbherzig ausgeführt.

Wichtigkeit von wissenschaftlichen Berichten – “Wer schreibt, der bleibt.”
Es gibt Unternehmen, die halten ausführliche wissenschaftliche Berichte für eine Verschwendung von Zeit und Geld. Anhand meiner praktischen Erfahrung sind wissenschaftliche Berichte aber eines der wesentlichen Mittel der wissenschaftlichen Arbeit. Keine wissenschaftlichen Berichte zu verfassen ist vergleichbar mit der Erkundung eines fremden Gebietes ohne Landkarte und Kompass. Das was man beim Verfassen wissenschaftlicher Berichte spart, bezahlt man später teuer in der Produktion.
Wissenschaftliche Berichte …

• … dokumentieren Experimente.
• … dokumentieren Rechercheergebnisse.
• … verschaffen einen Überblick.
• … machen den Stand der Technik sichtbar.
• … sind Nachschlagewerke.
• … filtern Informationen und schützen vor einer Überflutung mit Informationen.
• … helfen bei der Konzentration auf das Wesentliche.
• … helfen Kollegen beim Einstieg in das Thema.
• … sind ein Kommunikationsmittel zwischen Projektpartnern.
• … sind eine Ressource an Wissen und bares Geld wert.
• … helfen bei der Einschätzung der Handlungsmöglichkeiten.
• … dokumentierten auch das, was nicht funktioniert hat.
• … helfen bei der praktischen Anwendung des Wissens.
• … verknüpfen das dokumentierte Wissen durch Quellenverweise mit anderen wissenschaftlichen Arbeiten.

 

Vorteile einer wissenschaftlich experimentellen Basis im Alltag
Das, was wir wirklich wissen, ist letztendlich nur das, was wir im Experiment beobachten und reproduzieren können. Erst durch Wissen und Erkenntnis sind wir in der Lage, mit komplexen Sachverhalten zurechtzukommen, ohne zu viele Erfahrungen in Form von Rückschlägen teuer bezahlen zu müssen.

 

Mythen über Naturwissenschaft

Mythen über Naturwissenschaft, die mir bisher begegnet sind, habe ich aus meiner Sicht unter diesem Link zusammengefasst.

Kategorie: , Aktualisiert am 25. Januar 2012 von michael | Anmelden