Physikalischer Versuch

Ein Experiment (von lateinisch experimentum „Versuch, Beweis, Prüfung, Probe“) im Sinne der Wissenschaft ist eine methodisch angelegte Untersuchungsanordnung. Das wissenschaftliche Experiment darf deshalb nicht mit dem Begriff Zufallsexperiment aus der Stochastik verwechselt werden.

Experimente gibt es in einer Vielzahl von Wissenschaften, besonders in Naturwissenschaft, Ingenieurwissenschaft, Psychologie und Soziologie. Da es sich bei dem Experiment lediglich um eine Versuchsanordnung handelt, ist es prinzipiell bei allen Verfahren der Datenerhebung, einer Befragung, einer Inhaltsanalyse oder einer Beobachtung und ggf. auch bei einer physiologischen Messung, möglich.

Das Experiment ermöglicht als einzige wissenschaftliche Versuchsanordnung zuverlässige Kausalaussagen (Ursache-Wirkungs-Beziehungen). Die Auswertung der Versuchsergebnisse erfolgt als Schlussfolgerung. Durch die experimentelle Methode werden lediglich diejenigen neuen Erkenntnisse gewonnen, nach denen in den zuvor durch das experimentelle Design gestellten Hypothesen gefragt worden ist.^[1] Im Zusammenspiel mit einem Modell sind Experimente die Grundlage einer Theorie. Experimente sind aus Kostengründen oder unter ethischen Gesichtspunkten nicht immer machbar.

Mit Theorie und Praxis eines Experiments befasst sich die Experimentatorik.

Das Wissenschaftliche Experiment

Definition

Experimentelle Forschung unterscheidet sich von nichtexperimenteller Forschung in zwei Punkten:

• Aktive Veränderung, indem der Experimentator systematisch mindestens eine Unabhängige Variable variiert und registriert, welchen Effekt diese aktive Veränderung auf die Abhängige Variable hat
• Ausschaltung der Wirkung anderer Variablen (Kontrolle von Störfaktoren)

Ein Experiment unterscheidet sich von der reinen Betrachtung dadurch, dass zunächst eine genau definierte Situation präpariert wird. Anschließend wird das Verhalten des präparierten Systems beobachtet beziehungsweise gemessen, und mit den Voraussagen des zugrunde liegenden Modells verglichen. Auf diese Weise kann eine in einer Theorie gemachte Behauptung (These/Hypothese) untersucht werden und das Experiment kann diese entweder stützen oder widerlegen.

Unterschiede

Unterschiede gibt es zwischen Experimenten in den Naturwissenschaften und der Technik. Die Experimente in der Naturwissenschaft sind kausal orientiert und betrachten somit die Beziehung zwischen Ursache und Wirkung. Experimente in der Technik sind finalorientiert und betrachten somit die Beziehung zwischen Zweck und Mittel.

Im Gegensatz zum Laborexperiment - eine im Labor durchgeführte Messung unter definierten Bedingungen - wird im Feldexperiment (im Prinzip) ohne Veränderung der natürlichen Verhältnisse beobachtet.

Gedankenexperimente sind Experimente, die in Gedanken, nicht als reales Experiment, ausgeführt werden und zur Klärung eines Sachverhaltes dienen. Zuweilen wird es später möglich, das Gedankenexperiment als reales Experiment zu überprüfen.

Interne und Externe Validität

Die verschiedenen Arten von Experimenten lassen sich folgendermaßen voneinander abgrenzen:

Labor- und Feldexperimente und Quasi-Experimentelle Designs

• Laborexperimente gegen Feldexperimente: Laborexperimente ermöglichen eine weitgehende Kontrolle evtl. Störvariablen. Feldexperimente finden in der "natürlichen" Umgebung statt.

• Echte Experimente gegen Quasi-Experimente: siehe Forschungsdesign

Beobachtung und Experiment

Das Experiment bildet eine Gesamtheit aus

• Beobachter und
• Beobachtungsobjekt,
• den Werkzeugen und Methoden sowie
• dem Beobachtungsvorgang an sich.

Dass insbesondere der Beobachter Bestandteil des Experiments ist, ist eine der grundlegenden Erkenntnisse der modernen Wissenschaftstheorie.

Allerdings kann die Beobachtung auch als selbständige Methode zur Erkenntnisgewinnung angesehen werden. Der Unterschied zum Experiment besteht darin, dass bei der Beobachtung nicht in das zu untersuchenden System eingegriffen wird. Dagegen werden beim Experiment die Variablen des Systems manipuliert. Beiden Methoden gemeinsam ist die Einbettung in einen theoretischen Kontext, der auch im Falle des Beobachtens Hypothesen beinhaltet, welche auf Vorwissen basieren, und die planmäßige Durchführung.^[2]

Generalisierbarkeit

Das Experiment trifft nur Aussagen über sich selbst, also die präparierte Situation, und nicht mehr. Trotzdem erlaubt es, nicht nur das zu studieren, was sofort ins Auge fällt, sondern auch das, was in der Tiefe der Erscheinung nicht offensichtlich zum Ausdruck kommt: Die Auswertung eines Experiments im Kontext der Modelle und Theorien, die die Wissenschaften verwenden, ist der Kern – und aufwändigste Teil – wissenschaftlicher Arbeit, aber auch ein notwendiges Kriterium, Beobachtung und Modell miteinander in Einklang zu halten. Insbesondere können über den Begriff der Widerspruchsfreiheit auch Theorien überprüft werden, die Aussagen über prinzipiell Unbeobachtbares treffen, wie sie in der Theoretischen Physik und der Kosmologie verwendet werden.

Folgt man Karl Poppers kritischem Rationalismus, lassen sich (Hypo-)Thesen grundsätzlich nicht beweisen (verifizieren), sondern nur widerlegen (falsifizieren). Widerlegt das Experiment die Hypothese nicht, kann dies jedoch als Stützung der Hypothese aufgefasst werden, sofern die Ergebnisse für die Hypothese relevant sind (näheres hierzu siehe Falsifizierbarkeit).

Philosophisch gesehen kann ein Experiment nur über den Spezialfall, den es darstellt, Auskunft erteilen. Ob es Naturgesetze im Sinne allgültiger Verallgemeinerungen gibt, ist umstritten. Im Sinne der empiristischen Regularitätstheorie sind sie bloß gewohnheitsmäßige Erfahrungen, deren Wahrscheinlichkeit sich in jedem Experiment bestätigen muss. Axiome bzw. Paradigmen sind zweckmäßige Annahmen. Sie werden nicht mehr explizit überprüft, spielen jedoch in folgenden Experimenten eine so große Rolle, dass eine Unstimmigkeit sofort bemerkt würde.

Experimentatorik

Die Experimentatorik befasst sich mit theoretischen und praktischen Aspekten, welche Kriterien ein Experiment zu erfüllen hat, also der Methodik und dem Instrumentarium.

Von einem wissenschaftlichen Experiment wird gefordert, dass es messbare Ergebnisse liefert, und dass es nachvollziehbar, wiederholbar und objektiv ist, das heißt, dass es zum selben Ergebnis führt, wenn es von verschiedenen Personen, an verschiedenen Orten und/oder zu verschiedenen Zeiten wiederholt wird:

• Die Messbarkeit ist im Selbstverständnis aller Naturwissenschaften sowie in der Psychologie und bei Teilgebieten der Sozialwissenschaften unabdingbare Voraussetzung und grenzt sie von Metaphysik, Pseudowissenschaft, Religion und Esoterik ab. Die Wissenschaft definiert sich in diesem Sinne als die Menge aller möglichen Experimente: Was durch die Experimentatorik – zumindest potenziell – nicht erfassbar ist, ist nicht Teil der Wissenschaft. Eine Theorie, welche keine Experimente beinhaltet, die sie widerlegen (falsifizieren) könnten, bleibt Hypothese.
• Die Messergebnisse müssen quantifizierbar sein, in einem genormten Maßsystem dargestellt und verglichen werden können.
• In einem Experiment unterscheidet sich die Beobachtung von der unsystematischen Wahrnehmung durch ihre angestrebte Beobachterunabhängigkeit: Bei jedem Versuch ist auszuschließen, dass die Erwartungen - und sogar die bloße Anwesenheit - des Experimentators einen Einfluss auf das Versuchsergebnis hat. Effekte, die zu Fehldeutungen führen können, wie der Konfundierungseffekt in der Psychologie oder ein Artefakt (Sozialforschung), aber auch etwa Gravitationskräfte, die eine Person auf die Versuchsanordnung ausübt, müssen durch die konkrete Versuchsanordnung vermieden werden.
• Für die Reproduzierbarkeit ist die Anfertigung eines Versuchsprotokolls erforderlich, das meist in einem Laborjournal geführt wird. Ein Experiment gilt erst als erfolgreich, wenn es von mindestens einer unabhängigen Instanz nachvollzogen worden ist. Um stochastische Messfehler abschätzen zu können und Mittelwerte zu bilden, werden meist mehrere Versuchsdurchgänge unternommen.

Damit ein Experiment anerkannt werden kann, muss es nachvollziehbar dokumentiert sein. Dazu muss es folgende Ansprüche erfüllen:

• Die Dokumentation muss hinreichend aussagekräftig sein, also über alle Absichten, Bedingungen und Einflüsse Bescheid geben. Diesen Teil letztgültig zu erfüllen ist nahezu unmöglich, so dass hier besonderes Augenmerk darauf gelegt werden muss, dass wenigstens nichts Wesentliches übergangen wird. Welche Tatsachen interessant sind und welche nicht, ist von Disziplin zu Disziplin verschieden. Während die Kleidung des Experimentators in einem physikalischen Experiment nur dem Schutz des Körpers dient und so der Wahl des Experimentators überlassen werden kann, kann Kleidung in psychologischen Experimenten einen Einfluss auf die Versuchsperson ausüben (z. B. den Experimentator als respekteinflößend oder eben das Gegenteil erscheinen lassen)
• Alle beobachteten Vorgänge müssen dokumentiert werden. Auch fehlgeschlagene Versuche (kein Resultat) und solche, die ein anderes als das erwartete Resultat hervorbringen. Denn auch (insbesondere) diese tragen wertvolle Information über den überprüften Sachverhalt. Viele neu entdeckte Gesetze kann man in alten Experimentdokumentationen wiederfinden. Ebenso dienen fehlgeschlagene Experimente manchmal als Anregung für neue Hypothesen. Unterschlagung von Versuchsdaten kann nahezu unbewusst geschehen und trotzdem das Ergebnis beeinflussen. Dieser Punkt ist besonders wichtig bei Versuchen, die ein statistisches Argument aufbauen.

An Schulen und Universitäten werden didaktisch aufbereitete Versuche durchgeführt, um Sachverhalte zu verdeutlichen und das wissenschaftliche Arbeiten zu erlernen. Für niedrigere Altersstufen erarbeitet man Experimentierkästen, das sind Baukästen und Lehrmaterial für Versuche im Selbststudium.

Experimente der Experimentatorik selbst - zum positiven Nachweis einer Eigenschaft eines Beobachtungsinstruments oder dessen Funktionsfähigkeit - nennt man Test, so z. B. der Signifikanztest. Eine Untersuchung über die Wechselwirkungen zwischen dem Beobachter und dem übrigen Versuchsaufbau ist eine Beobachtung zweiter Ordnung.

Versuche mit Personen – und auch Tierversuche – werfen besondere Probleme der angewandten Ethik auf.

Experimentelle Wissenschaften

Durch die Fortschritte in Theorie, Experimentatorik und Interdisziplinarität haben sich in einigen Disziplinen speziell auf Experimente ausgerichtete Fachgebiete entwickelt, so die Experimentalphysik, die Experimentalpsychologie, die Experimentelle Ökonomie oder die Experimentelle Archäologie. Auch kann die Numerische Mathematik als experimentelle Disziplin angesehen werden.

• Eine Naturwissenschaft, die weitgehend auf Experimente verzichten musste, wenn man von Experimenten zur Verbesserung der Beobachtung absieht, ist die Astronomie. Andererseits kann die Raumfahrt als experimentelle Astronomie bezeichnet werden. Jede Raumfahrtmission hat experimentellen Charakter: So hatte z. B. die erste Generation der GPS-Satelliten eine Absicherung an Bord für den Fall, dass die allgemeine Relativitätstheorie nicht stimmt.
• Lange Zeit war die Biologie eine rein beschreibende Wissenschaft. Das gilt für die heutige Biologie nicht mehr. Das biologische Experiment gestattet beispielsweise durch variieren der Versuchsbedingungen nicht nur, nahezu exakt den Charakter der determinierenden Einwirkungen auf einen zu untersuchenden Prozess zu bestimmen, sondern auch diejenigen Prozesse zu beschleunigen oder zu verlangsamen und damit der Untersuchung zugänglich werden zu lassen, die im natürlichen Verlauf entweder extrem langsam oder zu schnell für die Auswertung des Experiments ablaufen, um hinreichend genau und vollständig fixiert zu werden.
• Auch in den Geistes- und Sozialwissenschaften gibt es Experimente. Die Mehrzahl der Geisteswissenschaft ist allerdings typischerweise nicht experimentell begründet. Die Verallgemeinbarkeit ist in Sozialwissenschaften oft problematisch.

Geschichte

Das Experiment ist ein wesentlicher Bestandteil im wissenschaftlichen Fortschrittsprozess. Mit der Entwicklung von Selbstverständnis der Wissenschaft, Methodik und Instrumentarium erlangte es nicht nur immer größere Bedeutung für die Gesellschaft, sondern es änderte damit auch seinen Charakter: Neben der Funktion in der Wissenschaft, in der es auf Galileo Galilei zurück geht, sind Experimente eine didaktische Methode. Außer durch wissenschaftliche Ausbildung finden experimentell gewonnene Erkenntnisse über Experimente der Kunst den direkten Eingang in das allgemeine Verständnis. In diesem weiten Sinne ist das Experiment eine „Frage an die Natur“.

Berühmte Experimente

• Galileo Galilei – Versuche zum freien Fall
• Otto von Guericke (1663) Magdeburger Halbkugeln (Effekte des Luftdrucks)
• Benjamin Franklin – Nachweis (1752), dass Blitze eines Gewitters elektrische Effekte sind
• Thomas Young – Doppelspaltexperiment (1802) zum Nachweis von Welleneigenschaften von Licht
• Millikan-Versuch zur Messung der Elementarladung von Robert Andrews Millikan
• Cavendish – Experiment zur Messung der Gravitationskonstante
• Michael Faraday – Versuchsreihe zu Elektrizität und Magnetismus
• Michelson-Morley-Experiment zur Messung der Unabhängigkeit der Lichtgeschwindigkeit von der Bewegung der Erde
• Heinrich Hertz – Nachweis der Übertragung elektromagnetischer Wellen
• Wilhelm Conrad Röntgen – Entdeckung der Röntgenstrahlen
• Uranspaltung von Otto Hahn und Lise Meitner
• Schwärzung eines Films durch Radioaktivität (Becquerel)
• Kreuzungsversuche mit Erbsen von Gregor Mendel
• Iwan Pawlows Experiment der Konditionierung von Hunden (bedingter Reflex)
• Miller-Urey-Experiment Urzeugung von Leben, Aminosäuren aus Uratmosphäre
• Stanley Milgrams Experiment zur Untersuchung der Bereitschaft eines Menschen, einer (pseudo) Autorität zu folgen (Milgram-Experiment)
• Psychologisches Experiment zu Unaufmerksamkeitsblindheit (auch als Inattentional Blindness bzw. Blindheit wegen Unaufmerksamkeit bekannt) von Simons und Chabris
• Thor Heyerdahls Nachbauten historischer Schiffe und seine Fahrten, um das frühe Transportwesen zu überprüfen
• Benjamin Libets Experiment zum sogenannten freien Willen.
• Die Nichtdeterministischen Experimente nach Paul Watzlawick
• Der Turing-Test nach Alan Turing zur Bestimmung von künstlicher Intelligenz.

Das Experiment in der Kunst

„Kreidefelsen auf Rügen“ (um 1818)

Es gehört zum eigentlichen Wesen der europäischen Kunst, sich intensiv mit der Naturwissenschaft auseinanderzusetzen. Tatsächlich ist eine Trennung in Wissenschaft und Kunst noch gar nicht so alt, bis in die Renaissance galten beide als unverzichtbare Bestandteile einer humanistischen Bildung.

Ein Aspekt der Beziehung zwischen Experiment und Kunst ist, dass Künstler aller Epochen versucht haben, die neuesten Erkenntnisse künstlerisch umzusetzen, also direkt an der Interpretation der Ergebnisse mitzuarbeiten. Als Beispiele seien hier genannt:

• Die Erfindung der Zentralperspektive ist eigentlich der Kunst zuzuordnen, und wurde erst nach Albrecht Dürer Underweysung der messung mit dem zirckel un richtscheyt Untersuchungsgebiet der darstellenden Geometrie.
• Herausragend ist die Arbeit von Leonardo da Vinci, dessen Werke als direkte Anwendung seiner Erfindungen und Experimente zu interpretieren sind.
• Als künstlerisches Thema erscheint die Abbildung von Betrachtern – eine Beobachtung zweiter Ordnung – in der Zeit nach der Aufklärung, als die Romantik versuchte, ein Gegengewicht zu einem vom Menschen streng getrennten – und ihm überlegenen - Kosmos zu schaffen, so im Bildwerk von Caspar David Friedrich, bei denen der Betrachter der Werke sehr häufig Personen im Vordergrund beobachten kann, die selbst eine Landschaft o.ä. betrachten - nicht selten so platziert, dass diese mehr sehen können als er.
• Émile Zola betrachtete seine Romane (Le roman expérimental, 1880) als experimentelle Anordnungen mit gleichsam sozialwissenschaftlichem Erkenntniswert. Damit begründete er den Naturalismus in der Literatur.
• Die fotografischen Untersuchungen von Bewegungen von Eadweard Muybridge stellen sowohl ein wissenschaftliches als auch ein künstlerisches Experiment dar.
• Die Werkserien von René Magritte und M.C. Escher sind streng erkenntnistheoretische Experimente, jedoch ohne methodische Auswertung.

Zum anderen ist Kunstschaffen in seinem Drang nach dem Neuen experimentell an sich. Im Gegensatz zum wissenschaftlichen Experiment ist das künstlerische nicht unbedingt reproduzierbar, teilweise verweigert es diese Forderung sogar absichtlich. Es soll dazu dienen, neue Möglichkeiten des Ausdrucks, des Mediums zu finden, Dinge auf eine Weise zu sehen oder zu tun, wie sie zuvor nicht gesehen oder getan wurden. Die Kreativität ermöglicht, neue Formen, Kombinationen, Perspektiven zu entwickeln. Es stellt also in ähnlicher Weise Grundlagenforschung dar und versucht, den Kunstbegriff zu erweitern oder zu überprüfen. Das künstlerische Experiment kann dabei auch scheitern, etwa an eigenen Ansprüchen oder Ablehnung des Publikums.

Beispiele finden sich im Experimentalfilm, in Teilen der zeitgenössischen Kunst, in der avantgardistischen oder Neuen Musik, aber auch in der Literatur. In der Postmoderne tragen auch Teile des Mainstreams experimentelle Elemente in sich (etwa im Musikvideo). Gleichzeitig werden dezidiert experimentelle Werke von einem Großteil des Publikums zurückgewiesen (Kulturindustrie) und kämpfen mit finanziellen Schwierigkeiten, Ausnahmen wie Kubricks Film 2001: Odyssee im Weltraum sind selten.

Beiden Formen ist aber gemeinsam, das sie explizit eine Frage an die Welt darstellen und eine Gesamtheit aus Beobachter, Objekt und Beobachtung sind. Und mit der streng wissenschaftlichen Forschung teilen sie die hohen Anforderungen an Einfallsreichtum und Inspiration.

Fußnoten

1. ↑ „Die Vernunft muß mit ihren Prinzipien, nach denen allein übereinkommende Erscheinungen für Gesetze gelten können, in einer Hand, und mit dem Experiment, das sie nach jenen ausdachte, in der anderen, an die Natur gehen, zwar um von ihr belehrt zu werden, aber nicht in der Qualität eines Schülers, der sich alles vorsagen läßt, was der Lehrer will, sondern eines bestallten Richters, der die Zeugen nötigt, auf die Fragen zu antworten, die er ihnen vorlegt.“ (Immanuel Kant, Werkausgabe, hrg. von Wilhelm Weischedel, Bd.III, Frankfurt 4. Aufl. 1982. S. 23)
2. ↑ Puthz, Volker: Experiment oder Beobachtung in Unterricht Biologie, 132/12, S. 11-13

siehe auch: Kunstbegriff, Theorie der Kunst

Siehe auch

• Quasi-experimentelles Design
• Webexperiment

Literatur

• Manfred Achilles: Historische Versuche der Physik. Funktionsfähig nachgebaut. ISBN 3-925831-14-2
• Steven Schwartz: Wie Pawlow auf den Hund kam. Die 15 klassischen Experimente der Psychologie. ISBN 3407851022 (ist gleichzeitig eine sehr gute praxisbezogene Einführung in die Psychologie)
• Klaus Hentschel: Mythen um berühmte Experimente und Experimentatoren: Das Märchen vom Zauberer im weißen Kittel. Physik in unserer Zeit 34(5), S. 225 - 231 (2003), ISSN 0031-9252
• Amand Fäßler / Claus Jönsson (Hg.): Die Top Ten der schönsten physikalischen Experimente. (ISBN 3-499-61628-9)
• Hans-Jörg Rheinberger: Experiment. Differenz. Schrift. Zur Geschichte epistemischer Dinge, Marburg an der Lahn: Basiliken-Presse, 1992.
• Reto U. Schneider: Das Buch der verrückten Experimente. München 2006 ISBN 978-3-442-15393-0
• Helmar Schramm et al. (Hg.): Spektakuläre Experimente. Praktiken der Evidenzproduktion im 17. Jahrhundert, Berlin u. New York 2006, ISBN 978-3110193008

Weblinks

• Inhalte eines einfachen Versuchsprotokolls
• Experiment in Physiscs. Eintrag in der Stanford Encyclopedia of Philosophy (englisch, inklusive Literaturangaben)Vorlage:SEP/Wartung/Parameter 1 und weder Parameter 2 noch Parameter 3
• Hypertext zum Experiment in der Psychologie