Wissenschaft

 

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Zielsetzung:

Nach Absolvieren dieser Lehreinheit sollten Sie:

• Das Grundkonzept von Wissenschaft verstehen
• Die Komplexität der Wissenschaft und die Wichtigkeit der Wissenschaft für die Entwicklung der Menschheit verstehen.

Das konzept von Wissenschaft

Mehrere Fragen stellen sich, wenn wir über Wissenschaftstheorie sprechen:

• Woher kommt das Wort „Wissenschaft“?
• (Es kommt vom lateinischen Wort “scientia” und bedeutet “Wissen”).
• Was ist Wissenschaft?
• Eine Methode zu Wissen zu gelangen
• Eine Methode, über die Natur (der Dinge) zu lernen
• Verstehen lernen, wie das Universum funktioniert
• "Wissen, welches durch Studium und Praxis erworben wurde" (nach Webster's New Collegiate Dictionary)

• Was ist die Aufgabe der Wissenschaft?
• Sie weckt die Neugier der Menschen in Bezug auf Phänomene und Ereignisse in der sie umgebenden Welt
• Sie befriedigt diese Neugierde mit Wissen
• Sie kann Lernende aller Wissensstufen beschäftigen, da sie Ideen mit praktischer Erfahrung verbindet
• Menschen verstehen, wie große wissenschaftliche Ideen zum technologischen Wandel beitragen
• Sie hat großen Einfluss auf Industrie, Wirtschaft und Medizin und verbessert die Lebensqualität. Schüler erkennen die kulturelle Bedeutung und verfolgen ihre weltweite Entwicklung
• Sie hilft den Menschen, Themen zu diskutieren, die ihr Leben beeinflussen könnten, die Richtung der Gesellschaft und die Zukunft der ganzen Welt
•  

Wissenschaftliche Richtungen werden normalerweise eingeteilt in:

• Naturwissenschaften, welche Naturphänomene studieren (inkl. biologischen Lebens)
• Sozialwissenschaften, welche menschliches Verhalten und Gesellschaften untersuchen

Mathematik hat sowohl Ähnlichkeiten wie auch Unterschiede zu den Natur- und Sozialwissenschaften, die oft als empirische Wissenschaften bezeichnet werden.

Mit Naturwissenschaften meinen wir üblicherweise Biologie, Chemie, Physik und Erdwissenschaften. Lassen Sie uns deren Untergruppen betrachten:

Biologie

Anatomie Astrobiologie Biochemie Bioinformatik Biophysik Botanik Zellbiologie Entwicklungsbiologie Ökologie Entomologie Epidemiologie Evolutionäre Biologie Süßwasserbiologie Genetik

Immunologie Marinebiologie Mikrobiologie Molekularbiologie Morphologie Neurowissenschaft Anthropologie Physiologie Populationsdynamik Strukturelle Biologie Taxonomie Toxikologie Virologie Zoologie

Chemie

Analytische Chemie Biochemie numerische Chemie Elektrochemie Anorganische Chemie Materialwissenschaft Organische Chemie

Polymer Chemie Physikalische Chemie Quantenchemie Spektroskopie Thermochemie

Physik

Akustik Astrodynamik Astronomie Astrophysik Biophysik Klassische Mechanik Numerische Physik Festkörperphysik Kryogenik Dynamik Flüssigkeitsdynamik

Hochenergiephysik Materialkunde Mechanik Nuklearphysik Optik Teilchenphysik Plasmaphysik Polymerphysik Quantenmechanik Thermodynamik

Erdwissenschaft

Umweltwissenschaften Geodäsie Geographie Geologie Hydrologie

Meteorologie Ozeanographie Paläontologie Seismologie

           
Übung

Versuchen Sie nun zu erklären, womit sich jedes Untergebiet beschäftigt. Z.B:  

• Seismologie ist ein Teil der Geologie und beschäftigt sich mit
• Botanik ist ein Teil der Biologie und beschäftigt sich mit Pflanzen, ihrem Leben,
  Ihre Struktur und ihr Wachstum, ihre Klassifikation, etc..

Nun sind Sie dran...

 

Eine kurze Geschichte der Wissenschaft:

• Angefangen vom Mittelalter bis zur Aufklärung bedeutete Wissenschaft einfach nur das Aufzeichnen von Wissen.
• Im 18. Jahrhundert waren Wissenschaft und Philosophie nahezu deckungsgleich, (das Studium der Naturwissenschaften wurde Naturphilosophie genannt, während mit Geisteswissenschaften vor allem der menschlichen Moral gemeint war)
• Im 19. Jahrhundert begann eine steigende Tendenz, die Wissenschaft mit der Wirklichkeit zu verknüpfen (der nicht nichtmenschlichen Welt)

Die Ausdrücke “wissenschaftliche Methode” und “wissenschaftlich gesichertes Wissen” tauchten erst im späten 19. Jahrhundert auf.

• Im 20. Jahrhundert entwickelten sich viele Zweige basierend auf wissenschaftlichen Methoden: wissenschaftliche Medizin, Technik, Marketing, Werbung und vieles mehr.
• Gegen Ende des 20. Jahrhunderts begann die Technologie das öffentliche Interesse gegenüber der Wissenschaft zu überholen; einige Spezialisten begannen, den Ausdruck Technologiewissenschaft zu verwenden
• Im 20. Jahrhundert entstanden Wissenschaftsbereiche wie die Biotechnologie oder die Nanotechnologie, welche besonders für Spezialisten sehr attraktiv zu sein schienen

Seit der Renaissance gab es wissenschaftliche Gesellschaften, welche dafür eintraten, Wissenschaft vor allem durch Gedanken und Experimente zu betreiben, so wie:

• die „Accademia dei Lincei“ in Italien (gegründet 1603, mit Sitz im Palazzo Corsini in der Via della Lungara in Rom)
• die British Royal Society (gegründet 1660)
• die französische „Académie des Sciences“ (gegründet 1666)

Viele berühmte Einrichtungen unterstützen die Wissenschaft, u.a:

• die „National Science Foundation“ in den USA
• das „Centre national de la recherche scientifique“, in Frankreich
• das „Consejo Superior de Investigaciones Cientificas (CSIC)“, in Spanien
• die „Max Planck Gesellschaft“ und die „Deutsche Forschungsgemeinschaft“, in Deutschland
• die Die Russische Akademie der Wissenschaften (RAS), in Moskau

 

Übung

Können Sie wissenschaftliche Einrichtungen in Ihrem Land benennen?

 

Wissenschaftliches Wissen

Es nimmt vier Formen an:

• Hypothesen
• Fakten
• Gesetze
• Theorien

Hypothesen Aussagen über Variable in der Natur. Vor langer Zeit waren die Erdrotation und der Umlauf der Erde um die Sonne nur Hypothesen. Im Laufe wissenschaftlicher Untersuchungen können aus Hypothesen Fakten werden.
Fakten sind überprüfte wissenschaftliche Beobachtungen, die sich mehrfach bestätigt haben. Die Bewegungen des Foucault’schen Pendels über einen Zeitraum von 24 Stunden bewiesen die Erdrotation. Die Beobachtung sich bewegender Schatten von fixierten Objekten über mehrere Wochen und Monate halfen, die Bewegung der Erde um die Sonne zu beweisen. Erdrotation und Erdumlauf sind nun wissenschaftliche Tatsachen (Fakten). Aus Hypothesen können auch Gesetze werden.
Gesetze beschreiben spezifische Aspekte des Verhaltens der Natur unter speziellen Bedingungen. Boyle’s Gesetz sagt, dass das Volumen (eine der Eigenschaften) eines idealen Gases umgekehrt zu seinem Druck variiert (Verhalten) Wenn die Temperatur (eine weitere Eigenschaft) des Gases konstant ist (eine spezifische Bedingung). Ein wissenschaftliches Gesetz oder Naturgesetz ist eine wissenschaftliche Generalisierung, basierend auf einer ausreichend großen Anzahl von Beobachtungen, die also wiederholbar und gesichert gelten. Wissenschaftler behaupten niemals, die Natur oder das Objekt ihrer Untersuchungen endgültig zu kennen.
Theorien sind breite Aspekte der Natur, welche eine große Anzahl von Hypothesen, Fakten, Gesetze und Ereignisse umfassen. Ihre Erklärungen sind gut überprüft und geschätzt, da auf ihrer Basis die Wissenschaft weiterentwickelt werden kann. Im wissenschaftlichen Kontext ist eine Theorie ein in sich geschlossenes System mit dessen Hilfe sich natürliche Phänomene oder deren Verhalten beschreiben lassen. Normalerweise wird ein ganzer Satz von Hypothesen, Fakten und Gesetzen zu einer Theorie zusammengefasst.
Anders als ein mathematischer Beweis, ist ein wissenschaftlicher Beweis empirisch und es ist immer möglich, ihn zu falsifizieren. Sogar die größten und grundlegendsten Theorien können durch neue Beobachtungen widerlegt werden, wenn etwas in der Theorie inkonsistent wird.
So ist beispielsweise Isaac Newton's Gravitationsgesetz ein berühmtes Beispiel eines etablierten Gesetzes, das sich später als nicht universell gültig herausstellte – Es hielt in Experimenten, bei denen Bewegungen nahe der Lichtgeschwindigkeit durchgeführt wurden nicht stand, ebenso nicht in der Nähe starker Gravitationsfelder. Abgesehen von solchen extremen Bedingungen bleibt Newton’s Gesetz ein hervorragendes Modell zur Erklärung von Bewegung und Gravitation. Da die allgemeine Relativitätstheorie die Phänomene, welche Newton’s Gesetz erklärt, ebenfalls erklärt, darüber hinaus aber noch deutlich mehr, gilt die Relativitätstheorie in diesem Bereich als die umfassendere Theorie.
 Die Evolutionstheorie erklärt die umfangreiche Artenvielfalt unter lebenden Organismen als auch der zugrunde liegenden Basis. Wissenschaftler im Gesundheitswesen, im Agrarbereich und in der Industrie nutzen die Evolution um neue Medikamente zu entwickeln, Hybridsaaten und neue Moleküle, welche die Performanz von Systemen verbessern und Individuen wie der Gesellschaft im Ganzen nützen.

Bildung erfüllt in der Wissenschaft drei Aufgaben:

• Erstens bereitet sie Studierende auf ein wissenschaftliches Studium bzw. höhere Bildungsgrade vor.
• Zweitens bereitet sie Studierende auf die Arbeitswelt vor, unterstützt die Berufswahl und hilft dabei Karrieren zu beginnen.
• Drittens bereitet sie die Studierenden auf wissenschaftliche Ausdrucksweise vor und übt die Arbeit mit wissenschaftlicher Literatur ein. Die Priorität dieser Elemente variiert stark zwischen einzelnen Ländern und Kulturen.

Wissenschaftliche Methoden

• Wissenschaft versucht die Naturerscheinungen in einer reproduzierbaren Form zu erklären, um sinnvolle Vorhersagen machen zu können.
• Dies geschieht durch Beobachtung natürlicher Phänomene und/oder durch Experimente, in denen die Natur unter kontrollierten Bedingungen simuliert wird.

Wissenschaft ist eine Kombination von Logik und Beobachtung bzw. Experiment. Wissenschaftler verwenden Modelle, um Zustände zu beschreiben, vorzugsweise solche, die zu Vorhersagen tauglich sind und welche durch Experiment und Beobachtung verifizierbar sind. Eine Hypothese ist eine Behauptung, die noch nicht ausreichend unterstützt, aber auch nicht widerlegt worden ist. Im wissenschaftlichen Kontext ist eine Theorie ein logisch in sich geschlossenes Konstrukt zur Beschreibung von Naturphänomenen. Eine Theorie beschreibt typischerweise Zusammenhänge, die breiter angelegt sind, als nur eine Hypothese (üblicherweise setzt sich eine Theorie aus vielen Hypothesen zusammen). Ein Naturgesetz ist dagegen eine wissenschaftliche Generalisierung, die auf einer ausreichend großen Anzahl empirischer Beobachtungen beruht, und das als voll anerkannt gilt. Wissenschaftler behaupten nicht, das absolute Wissen über die Natur oder das Verhalten eines Objekts in einem bestimmten Wissensgebiet zu haben. Anders als bei einem mathematischen Beweis ist die wissenschaftliche Theorie empirisch und immer offen für die Möglichkeit der Falsifikation sobald eine neue Beweislage präsentiert wird

Mathematik und die wissenschaftliche Methode

Mathematik ist für viele Wissenschaften essenziell.

• Eine wichtige Funktion der Mathematik in der Wissenschaft ist die Beschreibung wissenschaftlicher Modelle, die Sammlung und Auswertung von Daten, die Hypothesenbildung und die Bildung von Voraussagen. Oft werden dazu mathematische Modelle gebraucht und intensiver Gebrauch von Mathematik gemacht.
• Es sind dabei alle Bereiche der Mathematik gefordert, man benötigt Statistik oder auch Felder wie die Zahlentheorie oder Topologie.
• Mathematik ist fundamental für das Verstehen von Natur- und Sozialwissenschaften die sich stark auf Statistik stützen. Statistische Methoden und mathematische Formeln geben Wissenschaftlern die Gewissheit und Bandbreite, die sie für ihre Experimente brauchen.

Wissenschaft und Religion

Nach dem Physiker und Theologen Ian G. Barbour, Gewinner des Templeton Preises für Fortschritt in der Religion 1999, gibt es mindestens 4 genaue Beziehungen zwischen Wissenschaft und Religion: Konflikt, Unabhängigkeit, Dialog, und Integration.

 

Umweltwissenschaften

Diese widmen sich der Untersuchung lebender Organismen wie Tiere, Pflanzen und Menschen. Die Umweltwissenschaften wollen erreichen, dass alle verstehen, wie wichtig es ist, allen lebenden Kreaturen Wertschätzung entgegenzubringen.
Der menschliche Körper ist ein System, indem alle Subsysteme miteinander in Zusammenhang stehen. Das Skelett und das Nervensystem brauchen einander, weil die Knochen Kalzium produzieren, welches die Nerven zur Funktion brauchen. Der Schädel fungiert als Schutz für das Gehirn und die Wirbelsäule schützt das Rückenmark. Zwischen Knochen und Gelenken befinden sich Sensoren, welche dem Gehirn die Stellung des Körpers mitteilen. Das Gehirn signalisiert den Muskeln, die Position des Skeletts anzupassen. Das Gehirn reguliert Herzschlag und Blutdruck. Informationen über den Blutdruck werden über Rezeptoren an das Gehirn gesandt. Die Muskeln werden durch das Nervensystem zu Bewegung angeregt. Das Reproduktionssystem und das Nervensystem arbeiten zusammen wenn das Gehirn das Paarungsverhalten kontrolliert und wird durch dasselbe hormonelle System beeinflusst, welches das reproduktive System bestimmt. Das Verdauungssystem bildet Blocks für Neurotransmitter das Gehirn kontrolliert das Ess- und Trinkverhalten. Der Magen sendet Nachrichten an das Gehirn, ob er voll ist oder nicht. Das Gehirn überwacht die Blutgaswerte und die Sauerstoffkapazität; es kontrolliert auch die Atmungsrate. Das Nervensystem steht mit dem Immunsystem in Beziehung weil es alle Systeme dazu anregt, sich selbst gegen Infektionen zu schützen.

Auch Tiere und Pflanzen bieten großartige Beispiele. Wenn wir uns beispielsweise einen Grashüpfer ansehen, zeigt sich, dass alle seine Komponenten zusammenwirken, um ihm ein perfektes Funktionieren zu ermöglichen:

Die Wissenschaft ist der Motor der Evolution. Wenn wir Fortschritt wollen, müssen wir die Bereiche der Wissenschaft weiterentwickeln. “Modern civilization depends on science.…Science is the pursuit above all which impresses us with the capacity of man for intellectual and moral progress and awakens the human intellect to aspiration for a higher condition of humanity.”
Diese Inschrift ist von Joseph Henry, dem ersten Sekretär der Smithsonian Institution,
auf dem National Museum of American History in Washington, D.C.