Physikalisches Gesetz

Ein physikalisches Gesetz beschreibt (meist in mathematischer Form) Zustände und deren Änderungen eines physikalischen Systems mittels messbarer, eindeutig definierter physikalischer Größen (Parameter, Variablen).

Physikalische Gesetze formulieren in der Regel Veränderungszusammenhänge: Sie beschreiben also, wie eine Ausgangssituation durch eine Verlaufsfunktion in eine Endsituation verändert wird.

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 physikalischen 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 klassische 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.

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 beteiligten Körpern zurückgeführt werden können.

Der Übergang von der klassischen Mechanik zur Relativitätstheorie zeigt, dass als unumstößlich erkannt geglaubte Gesetze sich auch nur als Modell für einen Spezialfall erweisen können (in diesem Fall: für kleine Geschwindigkeiten und Massen).

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.

Jedes Naturgesetz, das auf ein allgemeineres Gesetz zurückgeführt werden kann, hat nur noch den Rang eines Modells. Dies ist ein Argument für die Vermutung, alle uns bekannten Naturgesetze seien tatsächlich nur Konstrukte des menschlichen Geistes.

Die Bezeichnung Natur„gesetz“ legt nahe, die Natur verhalte sich ähnlich wie Personen unter dem Zwang von Gesetzen; tatsächlich ist die Physik aber eine Erfahrungswissenschaft, und die von ihr aufgestellten „Gesetze“ sind nur Beschreibungen des vorgefundenen Verhaltens.

Beispiel: Formulierung eines Gesetzes

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 $m_{1}$ und $m_{2}$ ist proportional der Größe der Massen und umgekehrt proportional zum Abstandquadrat $r^{2}$.

$F=G{\frac {m_{1}m_{2}}{r^{2}}}.$

G ist dabei ein Proportionalitätsfaktor, der die Massen $m_{1}$ und $m_{2}$ und das Inverse des Abstandsquadrats $1/{r^{2}}$ miteinander in Relation setzt. Da dieser als Gravitationskonstante bezeichnete Faktor in allen untersuchten physikalischen Systemen den exakt gleichen Wert besitzt und eine fundamentale physikalische Wechselwirkung (die Anziehung von Massen untereinander) beschreibt, spricht man von einer Naturkonstanten.

Beispiele für Naturgesetze

• Newtons Gravitationsgesetz (siehe oben)
• Licht breitet sich im Vakuum mit einer universellen Geschwindigkeit aus (Lichtgeschwindigkeit).
• die Hauptsätze der Thermodynamik
• Thermische Zustandsgleichung idealer Gase
• Ohm’sches Gesetz

Abgrenzung

Die Abgrenzung zwischen Naturgesetzen und anderen bestätigten oder bewiesenen Theoremen ist nicht immer ganz scharf.

Viele mathematische Sätze haben Implikationen und Anwendungen, die in der Naturwissenschaft oder im Ingenieurswesen von zentraler Bedeutung sind. So ist der Satz Die Winkelsumme im Dreieck in der Ebene beträgt 180 Grad zwar korrekt; er ist aber kein Naturgesetz, sondern ein mathematischer Lehrsatz, der auf gewissen Grundaxiomen der Geometrie beruht.

In den angewandten Wissenschaftszweigen und der Technik verwendet man zudem zahlreiche Formeln, die gewisse Zusammenhänge zwischen physikalischen Messgrößen hinreichend exakt beschreiben, ohne dass die zugrunde liegenden Zusammenhänge eindeutig klar sind. Für alle bekannten Anwendungen ist mit ihnen eine erfolgreiche Approximation von Ergebniswerten mit einer Genauigkeit, die für den Anwendungszweck hinreichend ist, möglich (Erfahrungswerte). Solche Formeln werden empirische Formeln oder empirische Gesetze genannt. 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). Einen Extremfall davon bilden sogenannte Faustregeln.

Literatur

• Gerhard Vollmer: Was sind und warum gelten Naturgesetze? - Philosophia naturalis, Journal for the Philosophy of Nature, Dez. 2000, Band 37/2 - (Zusammenfassung; PDF-Datei; 426 kB)
• Erwin Schrödinger: Was ist ein Naturgesetz? - Beiträge zum naturwissenschaftlichen Weltbild - 5. Aufl. - München : Oldenbourg, 1997. (Scientia nova) - ISBN 3-486-56293-2
• David Armstrong: What Is a Law of Nature?, Cambridge University Press, 1983 S. L. Goldman: Review
• Alfred Jules Ayer: What is a law of nature?, in: Revue Internationale de Philosophie 10 (1956), 144-65, auch in: Curd/Cover 1998
• Helen Beebee: The Non-Governing Conception of Laws of Nature, in: Philosophy and Phenomenological Research 61 (2000), 571-594.
• Nancy Cartwright: How the Laws of Physics Lie, Oxford University Press 1983
• M.Curd, J. A. Cover (Hgg.): Philosophy of Science: The Central Issues, W.W. Norton & Company 1998, v.a. 808-877
• Fred Dretske: Laws of Nature, in: Philosophy of Science 44 (1977), 248-268.
• John Foster: The Divine Lawmaker: Lectures on Induction, Laws of Nature, and the Existence of God, Oxford: Clarendon Press, 2004. Evan Fales: Review, in: Notre Dame Philosophical Reviews 2004
• R.N. Giere: Science Without Laws, Chicago: University of Chicago Press 1999
• Carl Gustav Hempel: Aspects of Scientific Explanation, New York: Free Press 1965
• William Kneale: Natural Laws and Contrary-to-Fact Conditionals, in: Analysis 10 (1950), 121-25.
• M. Lange: Natural Laws in Scientific Practice. Oxford: Oxford University Press 2000
• John Leslie Mackie: The Cement of the Universe, Oxford University Press 1974
• S. Mumford: Laws in Nature, Routledge Stathis Psillos: Review
• Karl Popper: A Note on Natural Laws and So-Called Contrary-to-Fact Conditional, in: Mind 58 (1949), 62-66.
• Patrick Suppes (Hg.): The Structure of Scientific Theories, Urbana: University of Illinois Press 2. A. 1977
• Michael Tooley: The Nature of Laws, in: Canadian Journal of Philosophy 7 (1977), 667-698
• Bas van Fraassen: Laws and Symmetry, Oxford: Clarendon Press 1989

Populäre Literatur

• Richard P. Feynman: Vom Wesen physikalischer Gesetze. Piper, München 1990 ISBN 3-492-03321-0

Weblinks

Wikiquote: Naturgesetz – Zitate

• Yuri V. Balashov: What is a Law of Nature? The Broken-Symmetry Story, in: The Southern Journal of Philosophy 40 (2002), 459-473
• John W. Carroll: „Laws of Nature“ in der Stanford Encyclopedia of Philosophy (englisch, inklusive Literaturangaben)
• John W. Carroll: Nailed to Hume's Cross? (PDF-Datei; 89 kB), in: John Hawthorne, Ted Sider, Dean Zimmerman (Hgg.): Contemporary Debates in Metaphysics, Oxford: Basil Blackwell 2007
• Nancy Cartwright: Philosophy of Science: Laws
• Antony Eagle: Laws of Nature (Seminarunterlagen: Causation and Explanation, Oxford 2005)
• W. Russ Payne: What a Law of Nature is
• Jonathan Schaffer: Causation and Laws of Nature: Reductionism, in: Hawthorne/Sider/Zimmerman 2007
• Markus Schrenk: Bibliography on Laws of Nature, AHRC, Nottingham 2011.
• Norman Swartz: Laws of Nature in der Internet Encyclopedia of Philosophy (englisch, inklusive Literaturangaben)
• Joe LoVetri: On the Metaphysics of Laws of Nature, Diss. Winnipeg, Manitoba 1993

• Aufsätze zum Thema Laws of Nature in PhilSci Archive

Videos

• Sind die Naturgesetze zufällig? aus der Fernseh-Sendereihe alpha-Centauri (ca. 15 Minuten). Erstmals ausgestrahlt am 9. Dez. 2001.
• Was sind Naturgesetze? aus der Fernseh-Sendereihe alpha-Centauri (ca. 15 Minuten). Erstmals ausgestrahlt am 10. Nov. 2004.
• Variieren Naturkonstanten? aus der Fernseh-Sendereihe alpha-Centauri (ca. 15 Minuten). Erstmals ausgestrahlt am 8. Nov. 2006.