UNDERSTANDING RESEARCH: Was verstehen wir eigentlich unter Forschung und wie hilft sie uns, die Dinge zu verstehen? Diejenigen, die von der Forschung in der Wissenschaft einen Beweis erwarten, werden leider enttäuscht sein.

Als Astrophysiker lebe und atme ich die Wissenschaft. Vieles von dem, was ich lese und höre, ist in der Sprache der Wissenschaft verfasst, die für Außenstehende kaum mehr als Jargon und Kauderwelsch sein kann. Aber ein Wort wird in der Wissenschaft nur selten ausgesprochen oder gedruckt, und das ist das Wort „Beweis“. Tatsächlich hat die Wissenschaft wenig damit zu tun, irgendetwas zu „beweisen“.

Diese Worte haben vielleicht einen besorgten Ausdruck auf Ihr Gesicht gezaubert, zumal die Medien uns ständig erzählen, dass die Wissenschaft Dinge beweist, ernste Dinge mit potenziellen Folgen, wie z. B. dass Kurkuma angeblich 14 Medikamente ersetzen kann, und eher frivole Dinge, wie z. B. dass die Wissenschaft bewiesen hat, dass Mozzarella der optimale Käse für Pizza ist.

Sicherlich hat die Wissenschaft diese und viele andere Dinge bewiesen. Nicht so!

Der Weg des Mathematikers

Mathematiker beweisen Dinge, und das bedeutet etwas ganz bestimmtes. Mathematiker legen einen bestimmten Satz von Grundregeln fest, die als Axiome bekannt sind, und bestimmen, welche Aussagen innerhalb dieses Rahmens wahr sind.

Eine der bekanntesten ist die antike Geometrie von Euklid. Mit nur einer Handvoll Regeln, die einen perfekten, flachen Raum definieren, haben zahllose Kinder in den letzten Jahrtausenden geschwitzt, um die von Pythagoras aufgestellte Beziehung für rechtwinklige Dreiecke zu beweisen, oder dass eine gerade Linie einen Kreis höchstens an zwei Stellen schneidet, oder eine Unzahl anderer Aussagen, die innerhalb von Euklids Regeln wahr sind.

Während die Welt von Euklid perfekt ist, definiert durch ihre geraden Linien und Kreise, ist das Universum, das wir bewohnen, es nicht. Geometrische Figuren, die mit Papier und Bleistift gezeichnet werden, sind nur eine Annäherung an die Welt von Euklid, in der Aussagen über die Wahrheit absolut sind.

In den letzten Jahrhunderten haben wir erkannt, dass die Geometrie komplizierter ist als die von Euklid, mit mathematischen Größen wie Gauß, Lobachevsky und Riemann, die uns die Geometrie gekrümmter und verzogener Oberflächen gegeben haben.

In dieser nicht-euklidischen Geometrie haben wir einen neuen Satz von Axiomen und Grundregeln und einen neuen Satz von Aussagen absoluter Wahrheit, die wir beweisen können.

Diese Regeln sind äußerst nützlich, um auf diesem (fast) runden Planeten zu navigieren. Eine von Einsteins (vielen) großen Errungenschaften war es, zu zeigen, dass die Krümmung und Verformung der Raumzeit selbst die Schwerkraft erklären kann.

Doch die mathematische Welt der nicht-euklidischen Geometrie ist rein und perfekt und somit nur eine Annäherung an unsere chaotische Welt.

Was ist denn nun Wissenschaft?

Aber es gibt Mathematik in der Wissenschaft, schreien Sie. Ich habe gerade eine Vorlesung über Magnetfelder, Linienintegrale und Vektorrechnung gehalten, und ich bin mir sicher, dass meine Studenten bereitwillig zustimmen würden, dass es eine Menge Mathematik in der Wissenschaft gibt.

Und die Herangehensweise ist dieselbe wie in der anderen Mathematik: Axiome aufstellen, Konsequenzen untersuchen.

Einsteins berühmtes E=mc2, das aus den Postulaten abgeleitet ist, wie die Gesetze des Elektromagnetismus von unterschiedlichen Beobachtern gesehen werden, seine spezielle Relativitätstheorie, ist ein Paradebeispiel dafür.

Aber solche mathematischen Beweise sind nur ein Teil der Geschichte der Wissenschaft.

Der wichtige Teil, der Teil, der die Wissenschaft definiert, ist, ob solche mathematischen Gesetze eine genaue Beschreibung des Universums sind, das wir um uns herum sehen.

Um dies zu tun, müssen wir Daten sammeln, durch Beobachtungen und Experimente von natürlichen Phänomenen, und sie dann mit den mathematischen Vorhersagen und Gesetzen vergleichen. Das zentrale Wort bei diesem Unterfangen ist „Beweis“.

Der wissenschaftliche Detektiv

Die mathematische Seite ist rein und sauber, während die Beobachtungen und Experimente durch Technologien und Unsicherheiten begrenzt sind. Der Vergleich der beiden ist in den mathematischen Bereichen der Statistik und der Inferenz angesiedelt.

Viele, aber nicht alle, verlassen sich auf einen besonderen Ansatz, der als Bayes’sches Schließen bekannt ist, um Beobachtungen und experimentelle Beweise in das, was wir wissen, einzubeziehen und unseren Glauben an eine bestimmte Beschreibung des Universums zu aktualisieren.

Glaube bedeutet hier, wie zuversichtlich Sie sind, dass ein bestimmtes Modell eine genaue Beschreibung der Natur ist, basierend auf dem, was Sie wissen. Stellen Sie sich das ein wenig wie die Wettquoten für ein bestimmtes Ergebnis vor.

Unsere Beschreibung der Schwerkraft scheint ziemlich gut zu sein, so dass die Wahrscheinlichkeit, dass ein Apfel von einem Ast auf den Boden fällt, sehr hoch ist.

Aber ich habe weniger Vertrauen in die Annahme, dass Elektronen winzige Schleifen rotierender und kreisender Strings sind, wie es die Super-String-Theorie vorschlägt, und es könnte eine 1:1-Longshot sein, dass sie genaue Beschreibungen zukünftiger Phänomene liefern wird.

Die Wissenschaft ist also wie ein fortlaufendes Gerichtsdrama, bei dem den Geschworenen ständig neue Beweise vorgelegt werden. Aber es gibt keinen einzigen Verdächtigen, und es werden regelmäßig neue Verdächtige ins Spiel gebracht. In Anbetracht der wachsenden Beweise aktualisieren die Geschworenen ständig ihre Meinung darüber, wer für die Daten verantwortlich ist.

Es wird jedoch nie ein absolutes Schuld- oder Unschuldsurteil gefällt, da ständig neue Beweise gesammelt und weitere Verdächtige vor das Gericht gebracht werden. Alles, was die Geschworenen tun können, ist zu entscheiden, dass ein Verdächtiger schuldiger ist als ein anderer.

Was hat die Wissenschaft bewiesen?

Im mathematischen Sinne hat die Wissenschaft trotz all der Jahre, in denen sie erforscht hat, wie das Universum funktioniert, nichts bewiesen.

Jedes theoretische Modell ist eine gute Beschreibung des uns umgebenden Universums, zumindest in einem gewissen Bereich, in dem es nützlich ist.

Aber die Erforschung neuer Gebiete offenbart Unzulänglichkeiten, die unseren Glauben daran senken, dass eine bestimmte Beschreibung unsere Experimente weiterhin genau darstellt, während unser Glaube an Alternativen wachsen kann.

Werden wir letztendlich die Wahrheit kennen und die Gesetze, die das Funktionieren des Kosmos wirklich bestimmen, in unseren Händen halten?

Während unser Glaube an einige mathematische Modelle immer stärker werden mag, wie können wir ohne eine unendliche Anzahl von Tests jemals sicher sein, dass sie der Realität entsprechen?

Ich denke, es ist am besten, das letzte Wort einem der größten Physiker, Richard Feynman, zu überlassen, was es bedeutet, Wissenschaftler zu sein:

Ich habe ungefähre Antworten und mögliche Überzeugungen in verschiedenen Graden der Gewissheit über verschiedene Dinge, aber ich bin mir über nichts absolut sicher.

Dieser Artikel ist Teil einer Serie über das Verständnis von Forschung.

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