Theorien sind nicht theoretisch

Klimawandel und Relativitätstheorie – sind das nur Theorien oder handelt es sich um Fakten? – Für Wissenschaftler ergibt diese Frage schlicht und ergreifend keinen Sinn. Eine Theorie in der Wissenschaft ist nicht «theoretisch». Vielmehr kann man sie mit einer Handlungsanleitung vergleichen. «Wenn ich xy mache, ist das Ergebnis yz». Unsere Computer, unsere Autos, unsere Antibiotika, sie alle sind Produkte wissenschaftlicher Theorien.

Theorien entstehen nicht aus dem Nichts. Sie sind immer das Resultat bestimmter Beobachtungen. Aber bevor aus einer Beobachtung eine Theorie wird, muss sie gewisse Voraussetzungen erfüllen. Ludmila Carone hat diese in den Science Blogs sehr gut zusammengefasst (im folgenden kursiv):

Theorien sind logisch

Jedes Naturgesetz und jede wissenschaftliche Theorie startet als Idee. In der Sprache der Wissenschaft bezeichnet man das als Hypothese. Und die muss zuallerst mal logisch sein.

Eine solche Idee kann zum Beispiel lauten: aufgrund der Beobachtung, dass die globale Durchschnittstemperatur der Erde genau parallel zum CO2-Gehalt in der Atmosphäre ansteigt, und der Beobachtung, dass CO2 in der Atmosphäre einen Teil der Wärmestrahlung vom Erdboden wieder auf die Erde zurückstrahlt, könnte der CO2-Anstieg für die Erderwärmung verantwortlich sein. Eine weitere Beobachtung ist die, dass sich das CO2 seit dem Beginn der industriellen Revolution in der Atmosphäre anreichert. Daraus könnte man schliessen, dass der Mensch für den globalen Temperaturanstieg verantwortlich ist.

Theorien sind überprüfbar und haben den Realitätscheck bestanden

Eine Hypothese wird nur dann zum Naturgesetz oder Teil einer wissenschaftlichen Theorie, wenn sie sich überprüfen lässt. D.h. es muss sich immer eine Kette von Ereignissen finden lassen, die durch diese Hypothese beschrieben werden kann (experimentelle Bestätigung). Gleichzeitig darf es keine Ereignisse geben, welche dieser These widersprechen (experimenteller Gegenbeweis oder Falsifizierbarkeit). Es muss immer irgendwo ein Vergleich zwischen mathematischer Beschreibung und der Realität stattfinden, so wie sie sich uns darstellt. Geht dieser Vergleich schief oder ist er selbst indirekt und in ferner Zukunft nicht möglich, wird die Hypothese als unwissenschaftlich aussortiert.

Die oben genannte Hypothese, dass der Mensch für den globalen Temperaturanstieg verantwortlich ist, muss also mit den Messungen übereinstimmen (das tut sie) und zusätzlich müssen sämtliche Erklärungsversuche scheitern, die Erderwärmung anders zu erklären. Kann zum Beispiel die Sonneneinstrahlung verantwortlich sein? – Die Antwort darauf lautet Nein, denn die messbaren Schwankungen der Sonneneinstrahlung wirken sich nicht so auf die globale Durchschnittstemperatur aus, wie sie es müssten, um als Ursache dafür in Frage zu kommen. Auch andere mögliche Ursachen wurden untersucht, aber auch sie stimmten nicht mit den Messungen überein. Am Ende blieb nur das vom Menschen ausgestossene CO2 als Ursache übrig. Das bedeutet nicht, dass es nicht vielleicht doch noch eine ganz andere Ursache gibt, die wir nicht kennen. Wir wissen nicht, was wir nicht wissen. Im Unterschied zu den Scharlatanen, die Verschwörungsmythen verbreiten, sind Wissenschaftler sich dessen bewusst. Dies zuzugeben, ist also kein Zeichen von Unwissen, sondern ein Zeichen für Seriosität.

Theorien sind in sich konsistent und widerspruchsfrei

Die Naturgesetze und Theorien dürfen sich nicht widersprechen. Wenn sie das tun, dann ist das ein Anzeichen dafür, dass irgendetwas in den Beschreibungen nicht ganz richtig ist. Denn Naturgesetze sind keine völlig unabhängig voneinander existierenden Gebilde, sondern hängen meist miteinander zusammen und/oder bauen aufeinander auf. Wenn an einem Gesetz, was geändert werden muss, hat das immer Folgen für eine ganze Reihe von anderen Gesetzen. Streng genommen ist es eigentlich eine Folge aus a). Denn logische Aussagen sind widerspruchsfrei.

«Ich weiss, dass ich nicht weiss» (Sokrates)

Es gibt in der Wissenschaft niemals den alle Zweifel ausräumenden allgemeingültigen Beweis. Die Wissenschaft wird sich daher niemals auf ihren Lorbeeren ausruhen und sagen können: Die Welt ist halt so. Wissenschaftler wissen, dass ihre Beschreibungen allenfalls gute Näherungen der Realität sind und dass es immer etwas geben wird, das wir nicht wissen. Das mag unbefriedigend erscheinen, verhindert aber, dass Wissenschaft in Dogmatismus erstarrt und sich Neuerungen gegenüber verschließt. Man könnte es als ultimative sokratische Sichtweise bezeichnen. Es wäre auch ziemlich langweilig, wenn es nichts mehr herauszufinden gäbe 😉 Auch wenn einige Leute meinen, genau diese Offenheit für neue Ideen sei ein Nachteil und eine Sicherheit verlangen, die es so niemals geben wird, und die sie gleichzeitig unehrlicherweise weder sich selbst noch anderen Ideen abverlangen. 

Gleichzeitig sind Wissenschaftler auch Pragmatiker. D.h. sie erkennen zwar an, dass ihre Theorien und Gesetze die Wirklichkeit nicht bis ins letzte Detail widergeben können, dass sie “nur” Annäherungen an die Wirklichkeit sind und dass Irrtümer vorkommen können. Aber solange es funktioniert, haben sie kein Problem damit, die bestehenden Theorien ausgiebig und höchst erfolgreich in der Praxis zu verwenden (z.B. in Form von Computern, Glühbirnen, Fernsehern etc.), bis die nächste Verbesserung daherkommt. (Das ist natürlich alles ein Idealbild. In der Realität neigen einige Wissenschaftler dennoch zu wilden Spekulationen oder zu Dogmatismus. Tja, sind eben auch nur Menschen – kaum zu glauben!)

Deshalb gibt es auch – im Unterschied zu den Verschwörungstheorien – eine Qualitätskontrolle in der Wissenschaft.

Spätestens seit Newton, Galilei, Kepler und co wird also alles, was wir sehen und messen können, mit Naturgesetzen und Theorien mathematisch beschrieben. 

Zwei Richtungen, ein Ziel

Dieser Weg funktioniert in zwei Richtungen.

a) Induktiv (Erst Experiment, dann Naturgesetz):
Ein Apfel fällt zu Boden, wenn ich ihn loslasse. Wie kann ich das mathematisch und im Einklang mit anderen Naturgesetzen beschreiben? Gilt das Gesetz auch für Birnen und Holzkugeln? Das Newtonsche Gravitationsgesetz erklärte nicht nur den freien Fall eines Apfels, sondern auch die Keplerschen Gesetze, welche die Bewegung der Planeten beschreibt.

b) Deduktiv (Erst Naturgesetz logisch entwickeln, dann mit Experiment überprüfen):
Aristoteles behauptete, dass schwere Gegenstände schneller fallen müssten als leichte. Galileo Galilei hat durch scharfes Nachdenken nachgewiesen, dass das nicht sein kann. Stattdessen müssen alle Körper gleich schnell fallen, was er auch experimentell überprüfte.

Siehe: Feder und Apfel in einem luftleeren Raum . Es funktioniert sogar auf dem Mond: Feder und Hammer auf dem Mond

Jetzt müssen wir noch den Unterschied zwischen einem Naturgesetz und einer wissenschaftlichen Theorie klären. 

Eine Theorie ist mehr als ein Naturgesetz

Ein Naturgesetz beschreibt mathematisch einen ganz bestimmten Vorgang in der Natur, ohne aber eine Erklärung zu liefern, warum die Vorgänge jetzt so ablaufen. 

Eine Theorie dagegen ist die Gesamtheit von Naturgesetzen, die sich gegenseitig bedingen, aufeinander aufbauen und erklären und auf möglichst wenigen Grundannahmen beruhen. Ziel ist es, ein möglichst genaues und vollständiges Abbild der Realität zu liefern. Sie wird ständig überprüft, angepasst und erweitert.

Damit ist hoffentlich klar, dass eine wissenschaftliche Theorie so ziemlich das Gegenteil dessen ist, was man landläufig als Theorie bezeichnet. Im normalen Sprachgebrauch kann eine “Theorie” eine wilde unbewiesene Spekulation sein.

In der Wissenschaft dagegen fasst eine Theorie die Gesamtheit unseres aus scharfem Nachdenken und Experimenten gewonnen Wissens zusammen und stellt die derzeit beste Annäherung an die “Realität ” dar. Sie kann durch Experimente immer nur bestätigt werden und niemals endgültig bewiesen. Es gibt in der Wissenschaft schlicht und ergreifend das Konzept der ewigen, absoluten, allgemein gültigen Wahrheit nicht.

Verschwörungstheorien sind keine Theorien

Auf keinen Fall aber darf man eine wilde (nicht überprüfte oder nicht überprüfbare) Behauptung oder Spekulation als Theorie bezeichnen. Deshalb schreiben wir auch von Verschwörungsmythen statt von Verschwörungstheorien.