Naturgesetz, Beschreibung von Naturvorgängen in Form eines Gesetzes. Die Formulierung von Naturgesetzen aus Beobachtungen oder Experimenten ist Ziel der Naturwissenschaften.

Naturgesetze sind keineswegs, wie oft angenommen wird, die Ursache für das Verhalten der Natur. Sie sind vielmehr von Menschen ersonnene verallgemeinernde Aussagen über natürliche Vorgänge ("Alle Schwäne sind weiß"). Wegen des Allgemeincharakters können Naturgesetze nicht 'bewiesen', sondern nur widerlegt werden. Im obigen Beispiel wäre eine gültige Widerlegung die Beobachtung eines einzigen schwarzen Schwans. Die potentielle Widerlegbarkeit durch Beobachtung oder Experiment (Falsifizierbarkeit) ist die wichtigste Eigenschaft eines Naturgesetzes.

Wissenschaft oder Parawissenschaft?

Ein nicht falsifizierbares Naturgesetz ist keines, sondern gehört in den Bereich der Parawissenschaften oder Religion. Ein Beispiel dafür ist die folgende Aussage:

"Alle menschlichen Handlungen sind egoistisch. Auch die, die es scheinbar nicht sind, werden nur aus dem egoistischen Interesse unternommen, nicht als egoistisch zu erscheinen."

Diese Aussage* kann durch keine Beobachtung widerlegt werden und ist daher unwissenschaftlich. Heutzutage werden Naturgesetze meist in der Form mathematischer Formeln ausgedrückt, die die Beziehungen zwischen physikalischen Größen angeben. Dies hat den Vorteil, dass man statt der ungenauen natürlichen Sprache die exakte und (fast immer) unzweideutige Sprache der Mathematik verwenden kann. Ein zusammenhängendes und widerspruchsfreies System von Naturgesetzen nennt man eine naturwissenschaftliche Theorie, eine auf Theorien basierende Vorstellung eines bestimmten Sachverhalts nennt man ein Modell. Letzteres soll ausdrücken, dass Naturgesetze nur das von einem Beobachter wahrgenommene Abbild der Wirklichkeit beschreiben können und nicht die Wirklichkeit selbst.

Auch wenn also das von der Theorie vorhergesagte Abbild exakt mit unseren Beobachtungen der Natur übereinstimmt, heißt das noch nicht, dass auch die Theorie der Wirklichkeit entspricht. Manche Philosophen und auch Naturwissenschaftler glauben allerdings, dass Theorien und Naturgesetze nicht nur bloße Hilfsmittel zum Beschreiben unserer Naturbeobachtungen sind, sondern dass sie tatsächlich die Wirklichkeit beschreiben. Das Newtonsche Gravitationsgesetz, das die Bewegungen der Planeten um die Sonne beschreibt, ist in diesem Sinne auch dann 'wirklich', wenn es gar keine Sonnen, keine Planeten und keine Materie gibt. Hier bekommt man allerdings ein Problem, wenn zwei einander widersprechende Theorien exakt die gleichen Abbilder der gleichen Phänomene produzieren. Zwei solche konkurrierende Theorien sind etwa die Vielwelten-Deutung und die Kopenhagener Deutung der Quantentheorie.

Zwischen den beiden Deutungen lässt sich vermutlich durch bloße Naturbeobachtungen nicht unterscheiden. Da sie sich jedoch widersprechen, können nicht beide zugleich wahr sein - jedenfalls wenn man die Wahrheit einer Theorie als Übereinstimmung mit der Wirklichkeit definiert. Jedoch fehlt jeglicher Anhaltspunkt, hier zwischen Wahrheit und Falschheit zu unterscheiden. Daher sehen die meisten Physiker die Frage nach der inneren Wahrheit einer Theorie als sinnlos an.

Eine sinnvolle Theorie muss also nicht unbedingt "wahr" sein, jedoch die folgenden vier Bedingungen erfüllen:

• Innere Konsistenz: Die Theorie darf keine einander logisch widersprechenden Aussagen enthalten.
• Äußere Konsistenz: Die Theorie darf keinen Widerspruch zu anderen naturwissenschaftlichen Theorien enthalten, muss sich also in die gesamte Naturwissenschaft integrieren lassen.
• Falsifizierbarkeit: Die Theorie muss Schlussfolgerungen enthalten, deren Negation prinzipiell beobachtbar wäre. Eine Schlussfolgerung aus der Evolutionstheorie ist etwa die Entwicklung von komplexen Spezies aus einfacheren Spezies. Ein Auftreten von Fossilien in umgekehrter zeitlicher Reihenfolge würde die Evolutionstheorie falsifizieren.
• Erklärungsmacht: Die Theorie muss bislang ungeklärte Sachverhalte entweder vollständig erklären oder aus grundlegenderen Sachverhalten ableiten.
  

Gute und schlechte Theorien

Man kann von zwei konkurrierenden Theorien durchaus die bessere und die schlechtere bestimmen, auch wenn beide die obigen vier Bedingungen erfüllen und sogar durch bloße Beobachtung ununterscheidbar sind. Dieses Prinzip ist unter dem Namen Ockhams Messer bekannt: Je weniger Gesetze für eine Theorie gebraucht werden und je einfacher diese sind, desto besser ist sie. Alte Theorien werden durch neue ersetzt, wenn die neue Theorie kürzer oder einfacher ist. - aber natürlich auch, wenn sie umfassender ist, d.h. mehr Vorgänge beschreibt, oder wenn ein Gesetz der alten Theorie durch eine Beobachtung widerlegt wurde. Eine solche Ablösung einer alten Theorie wird auch als Paradigmenwechsel bezeichnet, da sich dabei ein ganz neuer Blick auf einen bekannten Sachverhalt ergibt. Oft lässt sich dabei die alte Theorie als Spezialfall aus der Neuen ableiten, wie etwa das Newtonsche Gravitationsgesetz aus der Allgemeinen Relativitätstheorie.

Zurzeit sind die beiden Haupttheorien der Physik die Allgemeine Relativitätstheorie, die das Verhalten von Materie bei großen Raumabständen beschreibt, und das sogenannte Standardmodell, das die Quantentheorie beinhaltet und das Verhalten von Elementarteilchen bei mittleren und kleinen Raumabständen beschreibt. Die Relativitätstheorie wurde von Albert Einstein 1916 im Alleingang entwickelt. Das Standardmodell entstand aus Beiträgen vieler Physiker im Lauf des 20. Jahrhunderts. Keine dieser Theorien wurde bisher durch Experimente oder Beobachtungen widerlegt. Das ist insbesondere für die bald ein Jahrhundert alte Relativitätstheorie bemerkenswert.

Über das Standardmodell allerdings ist man in der Physik nicht glücklich, denn es gibt sich nicht gerade kurz und einfach, sondern umfangreich und kompliziert. Zudem erklärt es nicht, warum es gerade die Elementarteilchen gibt, die es gibt, und warum die Naturkonstanten gerade die Werte haben, die sie haben. Man erwartet daher im Laufe dieses Jahrhunderts die Ablösung beider Theorien durch eine einzige einfachere Theorie. Die Stringtheorie ist bisher der aussichtsreichste Kandidat für diese letzte und endgültige Theorie der Physik. Jedoch ist die Mathematik des 20. Jahrhunderts zur schlüssigen Formulierung der Stringtheorie noch nicht weit genug entwickelt.

Wie geht es weiter?

Die Naturwissenschaft steht also trotz aller Fortschritte noch lange nicht am Ende ihres Wegs. Im Rahmen dieses Lexikons stellt sich natürlich die Frage, ob dieser Weg endlich oder unendlich ist. Werden wir in absehbarer Zeit die 'Theorie für Alles' entwickelt haben, die sämtliche Naturgesetze beinhaltet und alle Beobachtungen vollständig erklärt? Auf jeden Fall sind im Verlauf dieses Jahrhunderts spektakuläre Entdeckungen zu erwarten, die alles Bisherige in den Schatten stellen. Die augenblicklichen Grenzen unseres Wissens finden Sie in der Liste der Zehn Rätsel.

*Karl Popper, Logik der Forschung

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