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, Variablen).

Inhaltsverzeichnis

[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 Wirklichkeit abbildet. Nur das Modell kann exakt berechnet werden – die gesamte Natur selbst nicht.

Ein physikalisches Gesetz muss mit reproduzierbaren physikalischen Experimenten vereinbar sein. Im allgemeinen Sprachgebrauch gilt es dann auch als bestätigt. Ein physikalisches Gesetz ist immer Teil einer physikalische 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 ist die Gesamtheit von Gesetzen, die ein ganzes Gebiet vollständig beschreiben, wie z.B. die Maxwellschen Gleichungen die gesamte Elektrodynamik beschreiben. Dies gilt allerdings wieder nur 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 ausschließlich entsprechend beobachtbarer Gesetzmäßigkeiten verhält, sondern auch entsprechend anderen (nicht beobachtbaren) Prinzipien, wie z.B. entsprechend dem Willen höherer Wesen oder des Confinements.

[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 m1 und m2 ist proportional der Größe der Massen und umgekehrt proportional zum Abstandquadrat r2.

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

G ist dabei ein Proportionalitätsfaktor, der die Massen m1 und m2 und das Inverse des Abstandsquadrats 1 / r2 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

[Bearbeiten] Kein Naturgesetz

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


[Bearbeiten] Naturgesetze, die als solche widerlegt wurden (Vermeintliche Naturgesetze)

  • Die Genetische Information fließt immer von der DNA zur RNA und nicht umgekehrt.
  • 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.
  • 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.

[Bearbeiten] Historisches Ereignis, aber kein Naturgesetz

  • Der genetische Code gilt für alle Lebewesen gleichermaßen.
    • Die Aussage ist (abgesehen von einigen Cyanobakterien) 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] Empirisches Gesetz, aber kein Naturgesetz

In den angewandten Wissenschaftszweigen und der der Technik verwendet man zahlreich Formeln, die gewisse Zusammenhänge physikalischer Messgrößen hinreichend beschreiben, ohne dass die zugrundeliegenden Zusammenhänge eindeutig klar sind: Sie „funktionieren“ einfach, „erfahrungsgemäß“ und „gut genug“. Das nennt man empirische Formel oder empirisches Gesetz.

Diese Formeln sind keine Gesetzmäßigkeiten im physikalischen Sinne, ihnen fehlt die theoretische Grundlage. Teilweise handelt es sich jedoch um Idealfälle oder Vereinfachungen von Naturgesetzen, deren Ungenauigkeit sich in bekanntem Rahmen hält, und für eine spezifische Anwendung hinreichend genau ist.

Andererseits müssen empirische Formeln oder Formelsätze aber nicht einmal unbedingt auf die korrekten Einheiten Rücksicht nehmen und benutzen oft ebenso empirische Kenngrößen (dimensionslose Kennwerte). Im Extremfall nennt man sie dann Faustregel.

[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.

[Bearbeiten] Siehe auch

[Bearbeiten] Literatur

[Bearbeiten] Populäre Literatur

[Bearbeiten] Weblinks

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[Bearbeiten] Videos

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