Physik verwendet mathematische Methoden

Die Forderung nach Reproduzierbarkeit der Beobachtungen erlaubt der Physik eine unter den Naturwissenschaften einzigartige Vorgehensweise: Sie beschreibt ihre Beobachtungen, also das Verhalten der Natur, mit mathematischen Methoden und Modellen. Physiker nennen eine solche Beschreibung eine Theorie. Akzeptiert man die Zulässigkeit einer solchen Art der Beschreibung, was eine Grundannahme der Physik darstellt, so stellt sich die Frage, welche Theorie für ein gegebenes Phänomen die geeignetste ist. Diese Frage haben Physiker, von Galilei über Newton bis hin zu Einstein und Heisenberg, um einige der herausragendsten zu nennen, jeweils aus der Erkenntnis ihrer Zeit heraus unterschiedlich beantwortet. Die von Physikern formulierten Naturgesetze sind also nicht fest, sondern spiegeln den jeweiligen Stand der Erkenntnis der Zeit wider, in der sie entstanden.

Eine wichtige Forderung an eine physikalischen Theorie ist, dass sie widerspruchsfrei sein muss. Sie muss also im Einklang mit allen Beobachtungen des Problemkreises stehen, für den sie formuliert wurde. Die Physik suchte dabei zu jeder Zeit nach möglichst umfassenden Theorien, also gewissermaßen einem Bauplan der Natur, der mit allen Erkenntnissen und Beobachtungen der jeweiligen Zeit im Einklang steht.

Das Besondere an einer Theorie ist, dass sie es erlaubt, das Ergebnis von Experimenten voraus zu sagen. Es ist damit möglich, sich gezielt Experimente zur Überprüfung ihrer Gültigkeit zu überlegen. Mitunter übersteigen die Voraussagen der Theorie auch das, was mit der zur Verfügung stehenden Messtechnik experimentell überprüfbar ist. Ein klassisches Beispiel hierfür ist die sog. „Gravitationsrotverschiebung“ von Spektrallinien, die Einstein 1915 in seiner allgemeinen Relativitätstheorie voraus sagte, die aber erst 1960 mit den bis dahin verfeinerten Messmethoden gefunden wurde. Die Entwicklung immer genauerer Messverfahren als Aufgabe der Experimentalphysik und die Beschreibung der beobachteten Phänomene durch die theoretische Physik gehen somit Hand in Hand. In der notwendigen Verbindung der abstrakten Beschreibungsweise der Mathematik mit der Anschauung und dem technischen Verstehen des Experiments liegt sicher eine der größten Herausforderungen aber auch der besondere Reiz der Beschäftigung mit Physik. [weiter]