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Experiment: Die Erweiterung der Wirklichkeit im Experiment

 

Heidelberger: Die Erweiterung der Wirklichkeit im Experiment

Michael Heidelberger:

Die Erweiterung der Wirklichkeit

im Experiment

 Was ist das Besondere an der modernen Naturwissenschaft? Die einen werden viel­leicht auf die Mathematisierung als einen entscheidenden Faktor verweisen, andere auf den Ausschluß teleologischer oder my­thi­scher Erklärungen aus empirischen Kon­tex­ten und die damit einhergehende Auflö­sung des Begriffs des Kosmos. Wieder andere heben die Methode der Idealisie­rung hervor, die aus den verwickelten Er­schei­nungen ein­zelne wirkende Faktoren abstra­hiert. Alle diese Erklärungsversuche werden sich aber darin einig sein, daß die Eigenart der mo­dernen Naturwissenschaft wesentlich auf dem Expe­riment beruht. Häufig wird sogar die experimentelle Vor­gehensweise mit der naturwissenschaftlichen (oder we­nigstens der physikalischen) Me­thode schlechthin gleich­ge­setzt. Während man in der Antike und im Mittelalter weit­hin mit der passiven Beo­bachtung der Natur zufrie­den war, wurde in der Neuzeit das aktive Eingreifen in die Natur zum Wesens­merk­mal der em­pirischen Wissenschaft.

 Bei der herrschenden Einigkeit über die zentrale Rolle des Experiments erwartet man eigentlich, daß ihm in der Wis­sen-schafts­philosophie ein vergleichsweise brei­ter Raum gewidmet würde. Dies ist jedoch keineswegs der Fall. Die Rolle, die das Experiment spielt, wird von wenigen Auto­ren und dann meist nur in wenigen Sätzen abgehandelt. Dies allein muß nicht schon ein Fehler oder ein Versäumnis sein. Es könnte ja durchaus sein, daß das Ex­peri­ment eben keine Probleme (mehr) auf­wirft und so gut verstanden ist, daß sich eine nähere Diskussion erübrigt. Es muß einen aber dann doch stutzig machen, daß die Unter­schiede in den verschiedenen wis­sen-schaftstheoreti­schen Ansätzen des 20. Jahr­hunderts ausgerechnet in bezug auf das Experiment nur selten relevant werden sollen.

 Die Einschätzung des Experiments in der jüngeren Wissenschaftsphilosophie

 Sowohl der Logische Empirismus als auch der Kritische Rationalismus von Karl Pop­per, aber auch der diese beiden Rich­tungen in Frage stellende Ansatz von Thomas Kuhn sehen die Rolle des Ex­periments unisono in der Überprü­fung von Theorien und nur in ihr. Das Experiment liefert Tat­sachen, die, in Beo­bachtungssätzen aus­ge­drückt, die naturwis­senschaftlichen Theo­rien bestätigen oder widerlegen. Dem Ex­peri­ment wird also eine rein kritische Rolle zugesprochen. Bei der experimentellen Überprüfung der Theorien kommt die hypo­thetisch‑deduktive Methode zur Anwen­dung: Aus der in Frage stehenden Theorie werden Beobachtungsaussagen gefolgert und sodann die Bedingungen experimentell realisiert, unter denen die beobachtete Tat­sache gemäß der Theorie einzutreten hat. Tritt die Vor­hersage ein, ist die Theorie be-stätigt, tritt sie nicht ein, ist sie widerlegt.

So einleuchtend diese Auffassung auf den ersten Blick auch ist, so sollte man sich doch ganz klar darüber werden, daß ein Preis dafür zu bezahlen ist. Zum einen werden nämlich damit all diejenigen Aspek­te des Experiments, die nichts mit dem Wahrheitswert von Theorien zu tun haben, wie z. B. Theorienentstehung, ausge­blendet; zum andern wird die sprachliche Fassung des beobachtbaren Resultats als der einzige Punkt gesehen, an dem das Experiment mit der Theorie in irgendeine Art von Verbin­dung tritt. Experiment und Theorie wirken sozusagen nur in den wenigen flüch­tigen Begegnungen der Überprüfung aufeinander ein.

 Diese Einschätzung war bekanntermaßen nicht immer die vorherr­schende. Von Fran­cis Bacon und Isaac Newton im 17. bis John Stuart Mill im I9. Jahrhun­dert und weit darüber hinaus sah man die Rolle des Experiments vornehm­lich in der Er­zeugung von Theo­rien. (In der Künstli­chen Intel­ligenz‑Forschung der Ge­genwart erfährt dieses Programm in mancher Hin­sicht eine Renaissance.) Nach die­ser Auf­fassung sind nur solche Theorien akzep­tabel, die durch Induktion und Genera­lisie­rung aus dem Ex-periment logisch abgeleitet sind. Für Bacon, Newton und Mill besitzt das Ex­periment (zumindest in ihrer programmati­schen Ab­sicht) demnach einen wis­sens-generieren­den, schöpferischen Cha­rak­ter. Experimente sind für die Erzeugung von Gesetzen und Theorien notwendig und konstitutiv.

Zu Anfang unseres Jahrhunderts erfuhr dieser Induktivismus durch Pierre Duhem eine besonders scharfe und ein­flußreiche Kritik, die bis heute ihre Gültig­keit bewahrt hat. Um die allgemeine Un­zulänglichkeit des Induktivismus zu zei­gen, zerpflückte Duhem stellvertretend die von Newton und André-Marie Ampère angeführten Parade­bei­spiele und zeig­te, daß dabei von einer Ab­leitung aus den Beobach­tungstat­sachen keine Rede sein kann. "Im Lauf ihrer Ent­wick­lung", folgert Duhem hieraus, "steht es einer physi­kalischen Theorie frei, einen beliebigen Weg einzuschlagen, voraus­ge­setzt, daß er jeden logischen Widerspruch vermeidet; im spe­ziellen steht es ihr frei, keinerlei Rechen­schaft von den experimen­tellen Tatsachen zu geben." Diese Rechen­schaft ist erst dann gefordert, "wenn die Theorie ihre voll­ständige Ausbildung erfah­ren hat". Damit also das Experiment seine eigentliche Funk­tion, die Überprüfung der Theorie, ausüben kann, muß ihm die Theo­rie schon vorher­gehen. In diesem Sinne schrieb bereits Justus von Liebig im Jahre 1863 "Eine em­pirische Natur­forschung in dem gewöhn­lichen Sinne existiert gar nicht. Ein Ex­periment, dem nicht eine Theo­rie,     d.h. eine Idee vorhergeht, verhält sich zur Natur­forschung wie das Rasseln mit einer Kinder­klapper zur Musik."

Liebigs und Duhems Kritik wurde vom ex-tremen Anti‑Induktivismus Karl Poppers wiederaufgenommen und weiter­geführt. "Der Experimentator", so schreibt Popper, "wird durch den Theoretiker vor ganz be­stimmte Fragen gestellt und sucht durch seine Experimente für diese Fragen und nur für sie eine Entscheidung zu er­zwingen ... Doch ... nicht um eine Induk­tionsgrundlage für die Theorienbildung zu schaffen [geht der Experimentator in dieser Weise vor]; vielmehr muß der Theoretiker seine wich­tigste Aufgabe bereits gelöst haben: die Frage möglichst scharf zu for­mulie­ren." Es ist "nur die Theorie und nicht das Ex­periment ..., nur die Idee und nicht die Beobachtung, die der Wis­senschaftsent­wick­lung immer wieder den Weg zu neuen Er-kenntnissen weist." Für Popper hat also das Experiment nur die negative Auf­gabe zu versehen, uns vor unfruchtbaren theoreti­schen Wegen zu bewahren.

Duhem war noch einen Schritt weiter­gegan­gen und stellte sogar die Fähigkeit des Experiments, diese negative kritische Auf­gabe zu erbringen, in Frage. Selbst im Fall, daß eine Theorie reif genug ist, experimen­tell geprüft zu werden, kann das Experiment nach seiner Meinung keine Entscheidung für oder gegen die Theorie erzwingen. Al­lein aus dem Ergebnis einzelner Experimen­te können wir keine definitive Einsicht darüber gewinnen, ob die Theorie nun durch die gemachten Erfahrungen als bestätigt oder entwertet anzusehen ist. Eine Theorie, meint Duhem, kann erst dann als experi­mentell widerlegt gelten, wenn ein zusam­menhän­gendes System von Theorien mit einer ganzen Gruppe experimenteller Tatsa­chen in Konflikt gerät. Duhem  spricht also dem Experiment nicht nur seine wis­sensge­nerie­rende Funktion ab, sondern schränkt selbst seine kritische Funktion drastisch ein. Wie Imre Lakatos über­zeu­gend gezeigt hat, lassen sich Theorien mit einigem Ge­schick, zumindest für eine ge­wisse Zeit, vor einer experimentellen Wider­legung retten, wenn man nur hart­näckig genug den kon­kreten Bedingungen bei der Ausführung des Ex­periments, den benutz­ten Instrumenten oder stillschweigend aufge­stellten Hilfshy­po­thesen die Schuld für die der Theorie zu­widerlaufende Erfahrung zuschiebt. Der Vorrang der Theorie wird also nochmals verstärkt und das Experiment in seinem Wert wiederum herabgesetzt.

Von dem Logischen Empiristen Hans Rei­chenbach stammt die (von Gottlob Frege u.a. schon vorausge­dachte) einfluß‑ und folgenreiche Unter­scheidung zwischen dem Entdeckungs‑ und Rechtfer­tigungszusam­menhang von Theorien ‑ eine Unter­schei­dung, die auch bei Popper unter an­derem Namen, nämlich als Unterscheidung von Tatsachen- und Gel­tungsfragen, auf­taucht. Welche Ereig­nisse auch immer sich tat­sächlich im Geiste oder Labor eines For­schers abgespielt haben mögen, bis sich eine Theorie einstellt ‑ sie sind voll­kommen irrelevant für die Fragen, die die Anerken­nungswürdigkeit einer Theo­rie und über­haupt die logische Analyse des natur­wis­senschaftlichen Wis­sens betreffen. Wie Newton zu seiner Gra­vitationstheorie kam, ob durch die un­sanfte Berührung seines Kopfes mit einem Apfel oder durch scharf­sinnig ausgedachte Experimente, ist für ihre Geltung vollkommen irrelevant. Ein Ex­peri-ment kann möglicherweise eine psy­chologi-sche Hilfe sein, uns auf gute Ge­danken für Theorien zu bringen. Aber diese heuri­sti­sche Leistung ist weder notwendig noch hin­reichend dafür, daß das Experiment sei-nen Zweck erfüllt und unterliegt überdies starken individuellen Schwankungen. Auch für Reichenbach ist also die generie­rende, schöpferische Bedeutung des Ex­periments für die Rolle, die es in der Wis­senschaft zu spielen hat, irrelevant. Seine Unterscheidung führte dazu, daß man die ganze Auf­merk-samkeit nur auf die Frage richtete, wie Theorien zu rechtfertigen sind, aber nicht auf das Problem, was Ex­perimente leisten.

Obwohl nun Thomas Kuhn als der haupt­sächliche Überwinder des Logischen Em­pirismus und als notorischer Kritiker Pop- pers gilt und zudem in seiner einfluß­rei­chen Arbeit über die Struktur wis­senschaftlicher Revolutionen Reichenbachs Unterschei­dung ausdrücklich in Zweifel zog, war er doch mit seinen Vor­gän­gern in der Ein­schätzung der Rolle des Experiments ganz einig. Der Ent­deckungszu­sammenhang, den Kuhn als relevant für die Begrün­dungsfragen von Theorien nimmt, wird bei ihm einzig und allein durch andere Theo­rien, aber nicht durch Experimente gestiftet. Hierin folgte er seinem Lehrer Alexandre Koyré, der in seinen wissen­schafts­historischen Studien die Entstehung der modernen Naturwis­sen-schaften als einen Sieg der Metaphysik des mathematisch orientierten Platonismus über den Aristo­telismus und über vor­wiegend experimentell und technisch orien­tierte Richtungen an­sah. Für Koyré wie für Kuhn ist daher die Geschichte der Wis­senschaften als eine Abfolge von "intel­lek­tuellen Muta­tionen" anzusehen. Die Paradig­men haben die Prio­rität in bezug auf Be­griffsbildung, Beobach­tung und Ap­paraturen! Nach dieser Sicht hätte eine Geschichte des Ex­periments keinen nen­nenswerten Erklärungs­wert und stellte nur ein kontingentes Epi­phänomen dar.

In all den bisher behandelten Ansätzen wird zwischen Beobachtung und Experiment nicht grundsätzlich unterschieden. "Ein Experiment ist im Grunde nichts anderes als eine provozierte Beobachtung", wie schon einmal Claude Bernard diese Haltung aus­drückte. Die Tatsache, daß der Mensch han-delnd eingreift, besitzt in die­sen Auffas­sungen keine besondere Bedeutung. Das Experiment wird mit dem Regi­strieren des Resultats gleichgesetzt. John Stuart Mill sah daher den handelnden Eingriff nur als ein Hilfsmittel zur Erzeugung von Bedin­gungen, die normalerweise "von selbst" nicht eintre­ten. Würde uns die Natur die Fälle präsen­tieren, die wir im Ex­periment künstlich erzeugen, dann könnten wir auch auf das Experiment, den han­deln­den Ein­griff, ver­zichten: "Um die Umstände zu verändern, können wir ... unsere Zuflucht zu der Beo­bachtung oder zu dem Ex­periment nehmen; entweder wir finden in der Natur einen Fall, der unserem Zweck entspricht, oder durch eine künstliche An­ordnung der Umstände machen wir einen. Der Wert des Beispiels ist abhängig von dem, was es an und für sich ist, nicht von der Art, wie es erhalten wurde.... Es gibt der Art nach keinen Un­terschied, keine logische Dis­tinction zwi­schen den beiden Ver­fahrens­arten in der Forschung."

Einer der wenigen Denker, der diese Mei­nung nachdrücklich verwarf, war Hermann von Helmholtz, der ein durch willentlichen Eingriff erhal­tenes Resultat prinzipiell von der bloßen Beobachtung unterscheidet. Nur durch den eigenen ak­tiven Eingriff in den Lauf der Dinge können wir nach seiner Meinung Wissen erwer­ben. Die passive Be-obachtung allein kann hier nichts ausrich­ten. Durch den Willensakt können wir näm­lich die Bedingungen, die im Vorgang gesetzt sind, kennenlernen, wäh­rend wir bei der bloßen Beobachtung unter zu vielen Mög­lichkeiten wählen müß­ten: "Die über­zeugen­de Kraft jedes Ex­periments [durch das wir die Erscheinungs­weise der Objekte abän­dern] ist aber haupt­sächlich deshalb so sehr viel größer, als die der Beob­achtung eines ohne unser Zutun ablaufenden Vor­gan­ges, weil beim Ex­periment die Kette der Ursa­chen durch unser Selbstbewußtsein hin­durchläuft. Ein Glied dieser Ursachen, unse­ren Willensimpuls, kennen wir aus innerer Anschauung und wissen, durch welche Mo-tive er zustande gekommen ist. Von ihm aus beginnt dann, als von einem uns be­kannten Anfangsglied und zu einem uns bekannten Zeitpunkt, die Kette der physi­schen Ursachen zu wirken, die in den Er­folg des Versuches ausläuft." Nur durch das Experiment, d. h. letztlich aus Urteilen über Handlungen des (freien) Selbstbewußt­seins, können wir nach Helmholtz ein Wis­sen über Ursachen gewinnen: "Durch ver­hältnis­mäßig wenige, gut ange­stellte Versu­che bin ich im Stande, die ursäch­lichen Bedingun­gen eines Ereignisses mit größerer Sicher­heit festzustellen, als durch millionen­fache Beobachtung, bei welcher ich die Bedingun­gen nicht habe beliebig ver­ändern können."

Helmholtz illustrierte die Überlegenheit des willentlichen Handelns gegenüber dem blos-sen Beobachten am Beispiel der Ausdeh­nung des Quecksilbers durch Erwärmung. Wenn wir die Volumenänderung des Queck­silbers nur passiv beobachten und sie nie­mals unter verschie­denen Bedingungen in verschiede­ner Aus­prä­gung selbst herbeifüh­ren könnten, dann hätten wir kein Mittel, um alternative Ver­mu­tungen über die Ur­sa-che auszuschließen. Wir könnten z.B. auch annehmen, daß die Feuchtigkeit der umge­benden Atmosphäre die Ursache dar­stellt oder hunderterlei Fak­toren mehr. Wenn wir jedoch unter be­wußter Variation der Bedin­gungen die Ausdeh­nung des Quecksilbers nach Belieben experimentell hervorrufen oder verhindern kön­nen, läßt sich schließ­lich die Erwärmung als Ursache der Aus­dehnung identifizieren.

Einer der wenigen Denker in neuerer Zeit, der wie Helmholtz vom erkenntnis­theoreti­schen Vorrang des Experiments überzeugt war, war Hugo Dingler. Für ihn ist gerade die aktive Seite des Ex­periments wesentlich, und er versucht, dem Ex­perimentieren als einem technischen Han­deln gerecht zu wer-den. So heißt es bei ihm: "Das Experi­ment unterscheidet sich nun von der Erfah­rung im allgemeinen Sinn dadurch, daß es stets mehr oder weniger starke Ele­mente enthält, die aktiver Natur sind." Im Ge­gen­satz zu Helmholtz ist es aber bei Dingler schwer, eine andere Funktion für das Ex­periment auszumachen als die kriti­sche. Das aktive Eingrei­fen beim Experiment besteht für ihn darin, die fun­damentalen Begriffe einer Wissen­schaft, auf die alle anderen aufbauen, durch Apparate im Experiment technisch zu rea­lisieren. Erst durch dieses Eingreifen werden die Erfah­rungen mit der Theorie verknüpft und damit die Theorie experimen­tell begründet. Ob­wohl Dingler die aktive Seite des Ex­periments ernst nimmt, spielt auch bei ihm das Experiment wesent­lich nur im Geltungs‑, nicht aber im Entdeckungszu­sammenhang eine Rolle. Die an Dingler an-knüpfenden Autoren waren aber fast die einzigen, die dem experimen­tel­len Eingriff einen wesent­lichen Platz in der Wissen­schaftsphilosophie einräumten.

Im Rückblick erscheint also die Diskussion des Experimentbegriffs in der Wis­sen-schaftsphilosophie vom späten 19. Jahr­hun­dert bis in unsere Zeit im Großen und Gan­zen als eine Abfolge sich steigernder nega­tiver Resultate: Wir wissen immer mehr darüber, was das Experiment nicht leistet, und verstehen immer besser, wo frühere mit dem Experiment verbundene epistemische Ansprüche ihre Grenze finden. Als Folge die­ser Diskussion entstand ein Phänomen, das man die »Unsichtbarkeit des Ex­peri-ments« nennen kann. So wie Thomas Kuhn zufolge wissenschaftliche Revolutio­nen norma­lerweise unsichtbar sind, weil sich die Wissenschaft ihre Geschichte als bruch­lose, sich steigernde Vorgeschichte ihrer gegen­wärtigen Einsichten zurechtzim­mert, so bleiben das Experiment und seine Ent­wick­lung unsichtbar, weil die Wissen­schaftsphilosophie seine Rolle für die Er­kenntnis­gewinnung auf die der Über­prüfung ein­schränkt.

In den letzten Jahren begann das Experi­ment mit seinen verschiedenen Funktionen und mit seiner reichen Geschichte wieder sicht­bar zu werden. Dieser Umschwung ver-dankt sich hauptsächlich detaillierten histo­rischen und wissenschafts­soziologi­schen Unter­suchungen. Diese Arbeiten lassen zum Teil auch hoffen, daß das Augenwerk nicht wie bisher nur auf die Physik fixiert bleibt, sondern sich auch auf andere experimentelle Disziplinen richtet. In der Wis­senschafts-philosophie ist es vor allem Ian Hackings Buch Representing and Inter­vening zu ver-danken, daß ein gewis­ser Wandel ein­ge­tre-ten ist. Man hat endlich eingesehen, daß man den revolutionä­ren Experimentier­me­thoden z.B. eines Galileo Galilei oder Mi­chael Faraday einfach nicht ge­recht wird, wenn man Expe­riment und beobach­tetes Resultat mit­einan­der gleich­setzt, wie es die vorherr­schende Mei­nung tut. Die genaue Berück­sichtigung der Ge­schichte liefert gute Grün­de für die Ver­mutung, daß die Un­sichtbarkeit des Ex­periments in der Wis­senschaftsgeschichte nur scheinbar ist und aus der Blindheit der Wis­senschaftsphilo-sophie resultiert. Die gegen­wärtige Lage ist eine Herausforde­rung, neue philosophische Ansätze zu ent­wickeln oder alte zu stärken, in denen das Experi­ment angemessen (und das heißt vor allem: in Berücksichtigung seines Reich­tums) behan­delt werden kann.

Das Experiment als Umgang mit dem wis­senschaftlichen Instrument

Wir haben eine Reihe von Positionen zum Experiment untersucht, die nun zu bewerten sind. Einerseits scheint es nicht ausreichend zu sein, dem Experiment lediglich eine überprüfende Rolle zuschreiben zu wollen. Unter anderem geht dabei gerade sein schöpferischer Charakter als wesentliches Element verloren. Andererseits wäre es aber zu stark, das Experiment (über seine theo­rienprüfende Rolle hinaus) als eine mit letzter Beweiskraft ausgestattete Instanz zu sehen ‑ entweder als positiv beweisende, wie der Induktivismus es tut, oder auch als negativ beweisende im Sinne Poppers. Die schöp­ferische Seite des Experiments wäre nicht genügend berücksichtigt, wenn man sie ledig­lich als eine rein heuristische oder psychologische Dimension bei der Theo­rien­bildung ansehen würde, die beim einen Forscher zum Tragen kommt und beim an-dern nicht.

 Das Entstehen der "richtigen Ideen" hängt viel stärker vom rich­tigen Experimentieren  ab, als Liebig dies wahrhaben wollte. Aber wiederum wäre es zu stark, das Ex­peri­ment nun gleich auch als eine Ent­deckungsme­thode für Gesetze oder Theorien gelten zu lassen, wie es starke Versionen des Induk­tivismus im vorigen Jahrhundert getan ha­ben, aber auch in neuester Zeit wieder tun Es scheint also, daß keine der ge­nann­ten Theorien des Experiments wirk­lich befrie­digen kann. Gefragt ist eine Posi­tion, die gewissermaßen in der Mitte zwi­schen den genannten Extremen liegt: Dem Ex­perimen­tieren muß neben seiner kriti­schen auch eine schöpferische Seite zuge­standen wer­den, aber auf eine Weise, die den star­ken Induk­tivismus vermeidet.

Um eine solche Position zu entwickeln, muß man zuerst einmal den wis­senschaftli­chen Instrumenten als den Mitteln des Ex­perimentierens den ihnen gebüh­renden Rang wieder einräumen. Gerade in bezug auf den Instrumentgebrauch scheint mir die Span­nung zwischen dem in der Wis­senschafts-philosophie herrschenden Experi­mentbegriff und den genannten neueren Untersuchungen zur Wissenschaftsgeschich­te am größten zu sein, oder, um es paradox zu formulieren, hier wird die Unsichtbarkeit des Ex­peri-ments am sichtbarsten. Im fol­gen­den wird davon ausgegangen, daß der In­strument-gebrauch einen notwendigen Be­standteil des Experiments darstellt.

Wie jedes Instrument ist auch das wis­sen-schaftliche in erster Linie eine technische Erfindung, also eine künstliche Vorrichtung ‑ ein Artefakt, das ohne den Men­schen nicht vorkommen würde. Eine technische Erfin­dung ist für einen vom Menschen gesetzten Zweck geschaffen, der sich ohne menschli­chen Eingriff erfahrungsgemäß nicht (oder nicht auf diese Weise) erfüllen läßt. Inso­fern überwindet eine Erfindung eine von der Natur gesetzte Beschränkung. Natürlich be-sitzt jede technische Erfindung als mate­rieller Gegenstand auch eine naturale Seite. Insofern kann sie die Naturgesetze auch nicht außer Kraft setzen, sondern befindet sich mit der Natur in Einklang.

Was sind nun die besonderen Merkmale, die ein wissenschaftliches In­strument vor an-    d­eren technischen Erfindungen auszeichnet? Zur Beantwortung müs­sen wir die verschie­denen Zwecke bestimmen, für die Instru­mente geschaffen werden. Neben der un­be-strittenen Funktion, Daten zur Überprü­fung von Theorien zu liefern, scheinen mir min­destens noch drei weitere Zwecke we­sent­lich zu sein, die einzeln oder zusam­men­genommen in verschiedenen Kombina­tionen (auch zusammen mit der theo­rienprü­fenden Funktion) in einem Instrument reali­siert sein können:

 

1. der Zweck der Erfahrungserweiterung (produktive Funktion),

2. der Zweck der Phänomenstrukturierung (repräsentierende oder struktu­rierende Funk­tion) und

3. der Zweck der Beherrschung der Bedin­gungen (konstruierende und imi­tierende Funktion).

 Man kann nun die wissenschaftlichen In-    s­trumente danach einteilen, welchem dieser Zwecke ihre Verwendung gewöhnlich dient. Es ist klar, daß hier Mischform­en auftreten und sich die Verwendungsweise eines In­struments im Laufe der Zeit signifikant ändern kann. Historisch sind gerade dies natürlich die interessanten Fälle. Es gilt aber, zuerst einmal die Grundtypen zu fin­den und darzustellen, bevor man zu kompli­zierteren Formen übergeht.

 Ein Instrument mit produktiver Funktion hat den Zweck, die Wirklich­keit des Menschen zu erweitern, d.h. Phänomene zu erzeugen, die sonst nicht im Bereich der menschlichen Erfahrung auftreten. Es werden Erschei­nungen für unsere Erfahrung hervorgerufen, die ohne das Instrument (oder ein dazu funktional äquivalent­es) nicht in der Natur als dem Inbegriff der Erscheinungen vorkä­men. Es handelt sich also um "absichtliche selbsttätige Erweiterung der Erfahrung", wie Ernst Mach es einmal ausgedrückt hat.

Viele Instrumente, deren produktiver Cha­rakter besonders einsichtig ist, wurden in der frühen Neuzeit erfunden, wie Luftpum­pe oder Elektrisier­maschine. Die Luftpumpe stellt ein Vakuum her, das ohne das Instru­ment in der Natur für den Menschen nicht erfahrbar wäre. Die Elektrisiermaschine produziert elektrische Phänomene, die ohne sie (bzw. ohne andere, gleichwertige Instru­mente) den mensch­lichen Sinnen, und damit unserer Erfahrung, nicht zugänglich wären. Wir müssen uns aber nicht nur auf die frühe Neuzeit beschränken: Gerade in der Teil­chenphysik der Gegenwart gibt es genügend Beispiele für produktive Instrumente. Man denke etwa an die großen Teilchen­be-schleuniger, die fast in einem fort neue Materiebausteine produ­zieren.

Die Experimenttypen in den genannten Bei-spielen stoßen in Bereiche vor, die den Sinnen auch nicht in anderen Dimensionen oder auf andere Weise zugäng­lich sind. Es gibt aber auch noch eine andere Art produk­tiver Instrumente, die neue Phänomene da-durch produziert, daß sie die Leistungsfä­higkeit unserer Sinne verbessert oder die Erscheinungen in Komponenten zerlegt. Diese Instrumente werden auf Phä­no­mene angewendet, die schon unter an­deren Bedin­gungen der menschlichen Erfah­rung zu­gänglich und bekannt sind. Insofern könnte man deshalb solche Instrumente bedingt produktiv nennen, da sie nicht Phä­nomene schlechthin produzieren, sondern nur unter solchen Bedingungen, unter denen sie uns nicht (oder normalerweise nicht) zugänglich sind.

Für die sinnesverbessernden Instrumente sind wieder viele in der frühen Neuzeit erfundene Instrumente einschlägig ‑ allen voran das Fernrohr und das Mikro­skop. Sie führen Phänomene durch Erweiterung eines schon bestehenden Zugangs in die Erfah­rung ein. Ohne Teleskop können wir die weit entfernte Wetterfahne nicht sehen; wir können aber näher an den Kirchturm heran­gehen und uns ihrer Existenz auch ohne Instrument versichern. Bei den ­Jupitermon­den oder anderen weit entfernten astronomi­schen Objekten wird dies natürlich schon schwieriger. Ein ähnliches Vorge­hen ist bei der Luftpumpe und der Elektrisier­maschine aber nicht möglich. Natürlich gibt es für Beobachtungsinstrumente Grenzen, an de-nen auch der beste Beobachter unter den gün­stigsten Bedingungen nicht mehr den Ein­satz des Instruments durch das unbe­waff­nete Sinnesorgan ersetzen kann. Aber der Über­gang ist dabei fließend und nicht sprunghaft, wie dies bei den unbedingt produktiven Instrumenten der Fall ist. Beob­ach­tungsinstrumente sind uns so sehr in Fleisch und Blut übergegangen, daß wir nicht mehr nachvollziehen können, welche geistige Anstrengung es den Menschen zur Zeit ihrer Erfindung kostete, sie als Instru­mente zu begreifen, die neue Wirklichkeiten schaf­fen.

Schließlich sind noch diejenigen produkti­ven Instrumente zu behandeln, die neue Phäno­mene durch Komponentenzerlegung schon bekannter Phänomene zugänglich machen. Beispiele, die hier einschlägig sind, sind das Prisma und das Spek­troskop. Hier wird aus dem uns zugänglichen Phänomen des Lichts ein Teil‑Phänomen herauspräpa­riert, das uns ohne das Instrument nicht zugänglich wäre.

Repräsentierende Instrumente haben den Zweck, die Abhängigkeit eines Phänomens von anderen Phänomenen am Instrument selbst symbolisch darzustellen und damit die Ordnung der Phänomene in der Welt zu begreifen. Beispiele für Instru­mente, die eine solche Funktion erfüllen, sind Uhren, Waa­gen, Elektrometer, Galvano­meter, Ther­mo­meter, Winkelmesser usw. Mit Hilfe solcher Instrumente werden Phäno­mene in andere transformiert und zwar so, daß sich die Ordnung der einen Phänomen­klasse in der der anderen (zumindest angenähert) wieder­findet. Beim Quecksilber-­Thermome­ter z.B. werden dem Wärmesinn zugängli­che Phäno­mene transformiert in Phänomene, die dem Gesichtssinn zugänglich sind (Aus­deh­nung der Quecksilber­-Säule). Durch die-se Transfo­rmation wird eine Beziehung zwi­schen den Phänomenen hergestellt ‑ im Fall des Ther­mometers zwischen den Wär­meer-scheinungen und den Quecksilberaus­deh­nungen. Auf diese Weise kann die Ver­än­derung des Instruments stellvertretend für die Veränderung gewisser anderer Phäno­mene genommen werden. Das Instrument dient zur symbolischen Darstellung der Eigenschaften von Phänome­nen. Die Höhe der Quecksilbersäule im Thermometer re­prä­sentiert den Wärmezustand des gemesse­nen Körpers. Repräsentierende Instrumente sind symbolische Artefakte, deren Zustände als Zeichensysteme zur Darstellung von Wirk­lichkeit dienen. Entschei­dend ist dabei übrigens nicht, daß es sich wie bei den angeführten Beispielen häufig um Meßin­strumente handelt. Auch wenn ein Instru­ment nur ein Mehr oder Weniger oder ein Gleich anzeigt, also bloß eine komparative Ordnung, wie das viele Instrumente aus der frühen Neuzeit taten und wie das die Waa­gen auf den Märkten bis heute oft noch tun, ist die repräsentierende Funktion ge­währleistet. Meßinstrumente sind Instru­mente, die besonders gut für Repräsen­tationen hergenommen werden können. Sie lie­fern vollständigere, genauere und detail­liertere Repräsentationen, als dies Instru­mente tun, die nur für qualitative Vergleiche geeignet sind.

 Instrumente mit konstruierender Funktion schließlich sind dazu da, die Phänomene so zu beeinflussen und zu bearbeiten, daß sie in einer gewünschten Weise beherrschbar werden. Es gilt dabei, die bei der reinen Darstellung des Phänomens störenden Um­stände so weit wie möglich auszuschalten. Hier kann auf die 1745 erfun­dene Leidener Flasche Bezug genommen werden. Dieses Instrument war nicht dazu da, die Elektri­zität als Phänomen aufzudecken oder sie zu messen, auch nicht, um eine Theorie zu überprüfen, sondern um Elektrizität an­zu-sammeln und aufzubewahren. Es kommt al-so bei dieser Art Instrument darauf an, das Phänomen "abzurichten", es beherrschbar, modellierbar, manipulierbar zu machen, es von fremden Einflüssen in einer Laborum­gebung zu isolieren. Zu dieser Sorte von Instrumenten gehören auch diejenigen, mit deren Hilfe man (wie der Physiker Mar­tinus van Marum es 1785 ausdrückte) "imitative" Experimente durch­führen kann, d.h. Ex­perimente, die Phä­nomene in einer anderen als der ge­wöhn­lichen Dimen­sion reproduzie­ren. Ein Bei­spiel aus Van Ma­rums Zeit ist die Nach­ahmung eines Blitz­schlags in ein Haus durch die Entla­dung einer Elek­trisier­ma­schine in ein Mo­dell eines Hauses in klei­nerem Maßstab. Auf diese Weise hat man die Zuverlässigkeit von Blitzableitern ge­testet. Für uns sind heute vielleicht Wind­kanal‑Experimente und dergleichen tech­nische Modellierungen ge-läu­figer.

Die Unterscheidung zwischen produktiven und repräsentierenden Funk­tionen von In­strumenten trifft sich mit ähnlichen, schon früher gemachten Vorschlä­gen. Im 17. Jahr­hundert unterschied man zwischen "philoso­phical instruments" als Hilfsmitteln der neuen experimentellen Naturphilosophie zur Erzeugung von Phäno­menen und den "ma­thematical instruments" als Hilfsmitteln der "mixed mathematics" (d.h. der 'angewand­ten' Mathematik, die neben abstrak­ten auch physische Eigenschaf­ten zum Gegenstand hat), mit denen man die Phäno­mene maß. In unserer Zeit spricht Jed Buchwald vom Unterschied zwischen "Ent­deckungsex­pe-rimenten (discovering ex­periments)", die neue Effekte hervorrufen oder prüfen, und "Meßexperimenten (mea­suring experi­ments)", in denen Zahlen für Para­meter gefunden werden, die schon in ein vor­bereitetes Schema passen. Der eigent­liche Zweck der Meß­instru­mente scheint mir nicht im Auffinden von Zahlen zu liegen, die die Phänomene charak­terisieren, sondern im Ergründen der Ord­nung der Phänomene untereinander, der Abhängig­keit der ex­perimentellen Variablen vonein­an­der. Dieser Zweck ist besonders gut, aber nicht not­wendigerweise, durch Meßinstru­mente er­füllbar. Es gibt eben auch einen kom­parati-ven Gebrauch von Instrumenten, der die Phäno­mene in eine komparative Reihe ein-ordnet, ohne quantitativ zu sein. Deshalb ist die Bezeichnung "repräsen­tierende In­stru­mente" der von Buchwald vor­zuziehen. Es scheint mir auch besser zu sein, von pro­duk­tiven als von Entdeckungsinstrumen­ten zu spre­chen, weil in "Pro­duktion", aber nicht in "Ent­deckung" die schöp­ferische Dimen­sion des mensch­lichen Eingreifens schon mit­gedacht ist.

Kritik der Theorielastigkeit des Ex­peri-ments

Die diskutierte Unterscheidung zwischen den produktiven, repräsentierenden und konstruierenden Instrumenten ermöglicht nun einen differenzierteren und angemesse­neren Blick auf das Experiment. Sie erlaubt auch eine Kritik an der Standardauffassung, daß sich die Rolle des Experiments in der Überprüfung einer schon zuvor aufgestellten Theorie erschöpft ‑ daß also zuerst eine Theorie existieren muß, bevor ein Ex­peri-ment überhaupt möglich und sinnvoll ist. Um diese Einschränkung der Ex­periment‑ Rolle in Zweifel zu ziehen, muß man folg­lich zeigen, daß es auch ohne eine voraus­gesetzte Theorie sinnvolles Ex­perimentieren geben kann.

Dies scheint der seit vielen Jahren weithin akzeptierten Lehre von der Theoriebeladen­heit der Beobachtung zu widersprechen ‑ der Auffassung nämlich, daß es, überspitzt ausgedrückt, in den Wissenschaften ohne Theorien gar keine Tatsachen gibt. Wis­senschaftliche Tatsachen werden nach dieser Ansicht erst von Theorien oder Paradigmen bestimmt, die ihnen gegenüber erkenntnis­theoretischen Vorrang besitzen. Im folgen­den möchte ich zeigen, daß man sich einer Äquivokation in bezug auf "Theorie" schul­dig macht, wollte man aus der Theoriebela­denheit der Beobachtung schließen, daß je-des Experiment eine Theorie voraussetzt, die es überprüft.

Dazu gehe ich von einem Autor aus, der als einer der ersten die Theo­riebeladen­heit der Beobachtung und, was meinen Ausführun­gen stark entgegenkommt, auch die Theo­rie­beladen­heit des Instrumentgebrauchs ver­treten hat, nämlich der schon genannte Pierre Duhem. So heißt es bei ihm: "Nur die theo­retische Interpretation der Erschei­nungen er­möglicht den Gebrauch der Instru­mente." Man muß hier genau darauf achten, was Duhem unter einer "theoreti­schen Inter­preta­tion" versteht: Die Interpre­tation einer Gruppe von Erscheinungen, so führt er aus, "ersetzt das Gegebene, mit Hilfe der Beob­achtung wirklich Erhaltene durch abstrakte und symbolische Darstellungen, die mit ihnen [den Erscheinungen] übereinstimmen auf Grund der Theorien, die der Beobachter als zulässig annimmt." Deshalb ist das Re-sultat eines Experiments für ihn auch "nicht einfach die Beobachtung einer Er­schei­nung", etwa daß ein einen Spiegel tragender Eisenstab oszilliert, sondern erst die Feststellung, daß die bei der Oszillation verwen­dete Spule einen bestimmten elektrischen Widerstand besitze. Der Begriff des elektri­schen Widerstandes und die Rolle, die er in einer Theorie mit anderen Begriffen spielt, ermöglicht es, so Duhem, das in diesem Beispiel beobachtete Resultat des Ex­peri-ments in einem "abstrakten und sym­boli­schen Urteil" auszudrücken. Zu jedem In­strument­gebrauch im Experiment gehört al-so für ihn eine Theorie, die die Ebene der bloßen Erscheinungen übersteigt und eine symboli­sche Interpretation dieses Gebrauchs liefert. Der Physiker zieht aus dem Ex­pe-riment seine Schlußfolgerungen in ab­strak­ten Ausdrücken, "denen wir keinen Sinn unterlegen können, wenn wir nicht die physikalischen Theorien kennen, auf die sich der Autor stützt."

Hier haben wir eine klare Beschreibung dessen vor uns, was wir als "Theoriebela­denheit der Beobachtung bzw. des Ex­peri-ments durch theoretische Inter­pretation" bezeichnen können. Diese Art der Theorie­beladenheit wird nun häufig ver­wechselt mit einer anderen Art. Seit N.R. Hanson (1958) ist es anerkannt und zum Ge­mein­platz ge­worden, daß unsere Beo­bach­tungen von un-serem Vorwissen, un­seren Über­zeugungen und Wah­rnehmungsgewohnheiten ab­hän­gen. Zur Unterscheidung können wir dies »Theo­rie­beladenheit durch Bezug auf Vor­wissen« nennen. Nun ist klar, daß jedes Experiment eine "theore­tische Erwartung" in bezug auf relevantes Vor­wissen beinhaltet und daß eine Theorie möglicherweise auch revidiert wird, falls diese Erwartung ent­täuscht wird. Dies heißt aber keinesfalls, daß in jedem Experiment eine durch theore­tische Interpre­tation gewonnene Behauptung über­prüft wird. Zwar geht in jedes Experi­men­tieren ein Hintergrundwissen mit ein und wird im Experiment neben­bei mitüber­prüft, aber we-der ist es der eigent­liche Zweck des Experi­ments, dieses Vor­wissen zu überprü­fen, noch muß dieses Vorwissen eine theo­reti­sche Interpretation des Experi­ments bein­halten. Wenn eine experimentelle Prü­fung einer Theorie an­steht, dann ist es al­lenfalls der spezielle Vorgriff auf die Erfah­rung, der von dieser Theorie über das relevante Vor­wissen hinaus behauptet wird, den man da-bei einem Test unterzieht. Man kann also Hansons These von der Theo­riebela­denheit, wenn man sie recht versteht, in bezug auf das Experiment vollkommen zustimmen, aber gleichzeitig die Behaup­tung Duhems ablehnen, daß jedes Experi­ment dadurch auch schon eine solche Theo­rie vor­aussetzt, die erst die theoretische Interpre­tation des Experiments liefert. Ich vertrete also die Auffassung, daß zwar unser Ex­perimentie­ren und Beobachten in einen begriff­lichen und theoretischen, die Erwar­tungen steuern­den Rahmen eingebettet ist, daß aber daraus nicht folgt, daß mit jedem Experiment eine ihm vorrangige Theorie überprüft wird, die erst die notwendige theoretische Interpre­tation des Ergebnisses liefert.

Eine genauere Untersuchung zeigt, daß die von Duhem herangezogenen Beispiele ein­seitig sind, da sie sich durchweg auf Expe­rimente mit repräsen­tierenden Instrumenten be­ziehen. Wie steht es mit den produktiven und konstruierenden Experimentier­funk-tionen? Muß auch hier eine abstrakte und symbolische Deutung der instrumentell er-zeug­ten Er­scheinungen vorausgehen, um sinnvolles Experimentieren möglich zu machen? Ein Blick auf die tatsächliche Experimen­tierpraxis legt eine negative Ant­wort nahe. Bei beiden geht es in erster Linie um die Zu­richtung der Phänomene, ohne daß dieser Gebrauch immer schon symbolisch gedeutet sein müßte, um über­haupt sinnvoll zu sein.

Um bei dem oben angeführten Beispiel Duhems mit der elektrischen Widerstands­messung zu bleiben: Bevor das von Duhem genannte Beispiel mit der elektronischen Widerstandsmessung möglich wurde, war es not­wen­dig, Elektrizitätsquellen herzustellen (pro­duktives Experimentieren) und zwar solche, die konstant sind (konstruktives Experimen­tieren). Außerdem mußte über den Zusam­menhang von elektrischen und magnetischen Wirkungen soweit Kenntnis bestehen, als dies für die Verwendung der Instrumente bei der Widerstandsmessung notwendig war (ebenfalls produktives Ex­perimentieren). Diese Voraussetzungen wur­den also ihrer­seits in Experimenten geschaf­fen, in denen keine theoretische Interpreta­tion der beo­bachteten Tatsachen durch ab-strakte Sym­bole, keine Ersetzung kon­kreter Aussagen durch symbolische Darstel­lungen nötig war. Auch bei den anderen oben ange­führten Beispielen für produktives und konstruktives Experimentieren mit der Luft­pumpe und der Leidener Flasche ist es klar, daß dabei keine theoretische Interpre­tation eines Erfah­rungsbefundes überprüft wird, sondern die Möglichkeiten des appa­rativen Eingriffs und Umgangs ausgereizt werden. Der Einsatz von produktiven und konstruk­tiven Instru­menten beim Ex­perimentieren setzt im Normalfall keine theoreti­sche Inter­pretation voraus. Ex­perimente können also in ihrer Ermittlung der Tatsachen durchaus selbständig gegen­über der Theorie sein. Produktive und kon­struk­tive Experimente werden gerade des­halb durchgeführt, um erst die Bedingungen kennenzulernen, unter denen sich das Phä­nomen verläßlich darstel­len läßt. Durch das Experimentieren sollen die Bedingungen aufgefunden wer­den, die die von Duhem geforderte Ent­wick­lung hin zu einer Theorie mit symboli­schen und ab-strakten Begriffen erst er­möglichen. Man ist daher versucht, das vorher angeführte Zitat Duhems schlicht­weg umzudrehen und zu sagen: Nur der Gebrauch der (produkti­ven und kon­struk­tiven) Instrumente ermög­licht die theo­reti­sche Interpretation der Erschei­nungen. Im produktiven und kon­struktiven Ex­perimen­tieren führt also der Instrument­ge­brauch ein theoriefreies Eigen­leben.

Wie sieht es nun mit den repräsentierenden Instrumenten aus? Zumindest prima facie scheint Duhem damit recht zu be­halten, daß wir den Umgang mit solchen Instrumenten in einer abstrakten und sym­bolischen Spra­che darstellen müssen, die sich aus einer oder mehreren Theorien ergibt. Gerade bei Meßinstrumenten wird dies besonders deut­lich. Ohne das Ohmsche Gesetz und ohne ein Wissen um die Bedeu­tung der Begriffe von Stromstärke und Span­nung ist der Be­griff des Widerstandes nicht sinnvoll zu verwenden. In die Kon­struk­tion der Instru­mente zur Widerstands­messung geht ein Wissen um das Ohmsche Gesetz mit seinen abstrakten Begriffen schon mit ein.

Aber auch repräsentierende Instrumente können zusätzlich noch eine schöpferische Dimension erlangen. Dieser Fall tritt dann ein, wenn sich die Bedeutung der verwen­deten Begriffe im Experiment erweitert. Experimente mit verzweigten Stromkreisen setzen zwar das Ohmsche Gesetz voraus, aber man muß nicht schon die Kirch­hoff-schen Verzweigungsgesetze kennen, um die Versuchsresultate zu be­schrei­ben. Ex­peri­mente zur Abhängigkeit des Widerstan­des von der Temperatur füh­ren zu einer Erwei­terung der Anwendung des Wider­standsbe­griffs, ohne daß schon eine Theo­rie über diesen neuen Zusammen­hang voraus­gesetzt sein muß, der die theore­tische Inter­pretation der Grundbegriffe liefert. Selbst wenn das Instrument theore­tisch stark "auf­geladen" ist, kann man immer noch den Unterschied machen zwi­schen einer theo­retischen Inter­pretation, die sich auf die Verwendung des Instruments in einem bestimmten Experi­ment erstreckt, und einer solchen, in der das nicht der Fall ist. Im ersten Fall würde es sich um eine über­prü­fende, repräsentierende Verwendung des Instruments handeln, im letzteren Fall um eine Erweiterung einer theoretischen Inter­pretation in einer schöp­ferischen, bisher von der Theorie noch nicht interpretierten Ver­wendungsweise des In­struments. Je mehr in einer Forschungstradi­tion über die Eigen­schaften der produzierten Phänomene be­kannt ist, desto mehr hängt die Verwen­dungsweise von der theoreti­schen Interpre­tation ab. Es ist aber nicht einzusehen, daß auch neue Verwendungs­weisen schon von der Theorie vorausgesetzt werden müssen, um sinnvoll experimentie­ren zu können.

Für alle drei Experimentierweisen gibt es also eine gewisse Autonomie gegenüber Theorien. Das Experiment dient neben der Prüfung von Theorien auch der Schaffung von Wirklichkeit. Um das angeführte Zitat von Popper wieder aufzugreifen und vom Kopf auf die Füße zu stellen: Nicht allein aus Ideen und Theorien fließen neue Erkenntnisse und Erklärungen, sondern auch aus der experimentellen Gestaltung und dem instrumentellen Eingriff.

UNSER AUTOR:

 

Michael Heidelberger ist Professor für Wis­senschaftstheorie der Naturwissenschaf­ten und Naturphilosophie an der Humboldt-Universität.

 

Von der Redaktion leicht gekürzte Fassung eines Vortrages am Zentrum für interdis­ziplinäre Forschung der Universität Biele­feld. Die ungekürzte Fassung mit den Quel­lenangaben erscheint diesen Frühling im Buch "Heidelberger/Steinle, Experimen­tal Essays - Versuche zum Experiment" (No­mos-Verlag, Baden-Baden).

 

 

 

 

 

 

 







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