Wissenschaft ist, was Wissen schafft – und nicht Glauben: Wissenschaftliches Arbeiten Teil 2

Die Wissenschaft, was ist das eigentlich? Wie funktioniert sie? Ich habe vor einiger Zeit schon einmal am Beispiel des EmDrives erklärt, wie Wissenschaft funktioniert und möchte mich in diesem Artikel dem wissenschaftlichen Alltag ein wenig mehr nähern.  Das ist mir insbesondere deswegen ein Anliegen, weil inzwischen immer häufiger Menschen auf Scharlatane hereinfallen und Angaben aus Youtube-Videos für wissenschaftliche Erkenntnisse halten. 

Zunächst will ich ein paar Begrifflichkeiten klären. Immer wieder begegnet man sowohl bei Wissenschaftsskeptikern als auch insgesamt im privaten Gebrauch dem Begriff Theorie. Schnell wird dann mal geäußert, dies sei ja nur eine Theorie und daher nicht bewiesen, z.B. die Evolutionstheorie oder die Gravitationstheorie. Also was ist das eigentlich?


Theorie

Das ist leider einer der schwierigsten Begriff in der Wissenschaft, weil der übliche Sprachgebrauch hier ziemlich gegenteilig ist. Eine Theorie ist eine Sammlung von Gesetzmäßigkeiten, die auf wissenschaftlichem Wege gewonnen wurden, d.h. insbesondere wurden sie überprüft und als richtig bewertet. Im allgemeinen Sprachgebrauch wird damit oft eine unbewiesene Idee beschrieben, was im wissenschaftlichem Sprachgebrauch der These entspricht. Eine Theorie wird durch Experimente und Anwendung nachgewiesen. Sie muss widerspruchsfrei sein. 

Die Relativitätstheorie ist ein schönes Beispiel. Es ist klar, dass sie nicht der Weisheit letzter Schluss ist, weil wir mit ihr keine vollständige Beschreibung der Vorgänge im Universum erreichen (für sehr kleine Räume brauchen wir dafür die Quantentheorie und bisher lassen sich beide nicht gut vereinen). Aber für große Entfernungen, Massen und Geschwindigkeiten beschreibt sie das Universum sehr gut. Ein sehr bekannter Nachweis der Theorie ist z.B., die kontinuierliche Bahnänderung des Merkur. Seine Bahn (nicht nur er selbst) dreht sich um die Sonne in einem Ausmaß, dass sich mit der Relativitätstheorie reproduzieren lässt, mit der Gravitationstheorie von Newton aber nicht (was diese nicht falsch macht, sondern nur auf einen bestimmten Anwendungsbereich beschränkt).

Merkur – Kronzeuge der Relativitätstheorie (Quelle: NASA/ JPL)

Wichtig bei einer Theorie ist, dass sie eine umfängliche Beschreibung darstellt und nicht nur ein einzelnes Gesetz. Die Gravitationstheorie beinhaltet z.B. das Gravitationsgesetz, welches ich ja schon mehrfach verwendet habe, aber beschreibt insgesamt die Bewegung von Himmelskörpern im Sonnensystem (und darüber hinaus). Dafür werden unter anderem die Energieerhaltung und Impulserhaltung verwendet, die sich aber nicht nur aus der Gravitationstheorie ergeben.

Theorien können, müssen aber nicht, von Beobachtungen hergeleitet sein. Sie müssen aber verifiziert, d.h. auf ihren Wahrheitsgehalt geprüft, sein. Typisch dafür ist, eine Vorhersagbarkeit von Ergebnissen, wenn man eine Theorie anwendet.

Dass die Gravitationstheorie (und als Weiterentwicklung die Relativitätstheorie) stimmt, erkennt man daran, dass wir z.B. Aussagen über Planetenbahnen treffen können, die auch eintreten. Position und Geschwindigkeit sind vorhersagbar. Wir können heute sehr genau sagen, wann, wo und wie z.B. Sonnenfinsternisse auftreten. Wir können über Störungen an bekannten Planetenbahnen erkennen wo sich ein weiterer Himmelskörper befinden muss, weil er durch seine eigene Gravitation die Bahn des Planeten verändert. Auf diese Weise wurde z.B. der Planet Neptun entdeckt.

Neptun – Kronzeuge für die Gravitationstheorie (Quelle: NASA)

Ebenso kann man mit Experimenten, wie z.B. dem Cavendish-Experiment, welches die Anziehungskraft zwischen zwei Massen misst, die Gravitationstheorie prüfen, bzw. ihren Wahrheitsgehalt erhärten. Ein Beispiel für seinen Aufbau ist im Titelbild zu sehen.

These

Eine These ist das, was man landläufig unter einer Theorie versteht: nämlich eine Idee. Aber nicht jede Idee ist eine These, auch für sie gelten Regeln. Damit eine These akzeptiert wird, muss sie nicht offensichtlich widerlegbar sein und darf keinen akzeptierten, bewiesenen Gesetzmäßigkeiten widersprechen.

Außerdem muss sie falsifizierbar sein. Was bedeutet das? Es muss ein Faktum geben, das – wenn es beobachtet wird – die These wiederlegt. Der Gedanke dahinter ist, dass man eben eine These wissenschaftlich ergründen können muss. Wenn ich z.B. die These aufstelle, Stühle müssen immer vier Beine haben, dann wäre ein Weg der Falsifizierbarkeit, dass ich einen Stuhl baue, der nur drei Beine hat und trotzdem funktioniert.

Natürlich darf eine These auch nicht widersprüchlich, sondern muss konsistent sein. Nicht jede Idee qualifiziert sich also als These, aber wenn man eine Idee hat, kann man sie bearbeiten, um daraus eine These zu formulieren, welche man dann wiederum belegen oder widerlegen kann. In ersterem Falle wird daraus dann ggf. eine Theorie.


Arbeitsprinzipien

Neben Begrifflichkeiten, gibt es noch verschiedene Arbeitsprinzipien, die in der Wissenschaft wichtig sind und durch die sie sich auszeichnet – und vom bloßen „Raten“ unterscheidet. Es ist keineswegs so, dass diese immer galten, sondern auch diese waren teil einer stetigen Entwicklung. In der Antike war Wissenschaft bloßes Nachdenken, bis dann irgendwann das Experiment dazukam.

Neuartigkeit: Ganz entscheidend für die Wissenschaft, ist, dass man Neues entdeckt und erarbeitet. Das muss aber nicht stets eine weltbewegende Erkenntnis sein. Oft sind die Erkenntnisse inkrementell, d.h. sie gehen langsam von Statten. Neues Wissen ist auch, herauszufinden, wie etwas nicht funktioniert oder neue Wege zu finden, etwas zu erreichen, was man schon längst beherrscht – im Falle von angewandter Wissenschaft.

Wahrheit: Die wissenschaftliche Wahrheit, bzw. Wahrhaftigkeit, ist das vielleicht entscheidendste Prinzip. Das bedeutet nicht nur, dass man als Wissenschaftler faktenbasiert arbeitet, sondern vor allem auch ehrlich ist. Und dies bezieht nicht nur die wahrheitsgemäße Veröffentlichung eigener Arbeit ein, sondern ist ganz allgemein zu sehen. Jeder Arbeit geht z.B. eine Recherche über den Stand des Wissens hinaus und es ist essentiell alle Seiten dabei hervorzuheben und zu dokumentieren und nicht nur die Aspekte, die die eigenen Ansichten oder Thesen stützen.

Objektivität: Das ist der vielleicht schwierigste Aspekt. Gerade wenn man von einer Idee selbst überzeugt ist, oder viel Zeit in die eigene Arbeit gesteckt hat, verliert man schnell diese Objektivität. Man muss sich dann zwingen dorthin zurückzukehren und auch gezielt in Richtungen forschen, die die eigene These oder Idee widerlegen können. Die Arbeit muss faktenbasiert sein und darf keine eigene Meinung enthalten – daher werden typischerweise in der Veröffentlichung von Ergebnissen die eigene Interpretation und Meinung von den faktischen Ergebnissen getrennt wiedergegeben. So kann sich jeder selbst eine objektive Meinung bilden.

Transparenz: Wissenschaft muss immer transparent kommuniziert werden. D.h. alle Angaben, die notwendig sind, um etwas zu verstehen und nachzuvollziehen, werden gemacht – wie z.B. ein Experimentaufbau. Dies dient einmal der objektiven Beurteilung der Richtigkeit und zum anderen der Reproduzierbarkeit der Ergebnisse. Jeder kann z.B. das Experiment dann wiederholen und so prüfen, ob sich die gleichen Ergebnisse einstellen oder völlig andere zutage treten. Zur Transparenz gehört auch, dass man verwendete Arbeiten anderer und deren Beiträge erwähnt und dokumentiert. Heute passiert es sehr selten, dass man auf völlig neuen Gebieten arbeiten, wo es noch keine Veröffentlichungen gibt.

Klarheit und Eindeutigkeit: Vor allem in der Dokumentation, aber insgesamt muss Klarheit herrschen. Was hat man gemacht, wie wurde es gemacht? Dabei ist es wichtig, darauf zu achten, dass das gleiche stets gleich genannt wird. Ich sollte in meinem Text z.B. ein Auto immer Auto nennen und nicht mal von Kraftfahrzeug reden. Warum? Wenn plötzlich ein anderer Begriff genannt wird, dann fragt sich ggf. der Leser einer Arbeit, ob etwas anderes gemeint ist. Vielleicht meine ich ja mit Kraftfahrzeug plötzlich ein Boot oder ein Motorrad. Um das zu vermeiden, sollte man gleiches, gleich benennen – das macht wissenschaftliche Texte mitunter etwas langweilig zu lesen, weil es keine Abwechslung in der Wortwahl gibt, aber Wissenschaftler sollen ja auch nicht unterhalten (in wissenschaftlichen Arbeiten).

Diese Arbeitsprinzipien sind zwar allgemeingültig, aber auch Wissenschaftler sind nicht fehlerfrei. Ein Fortsetzen von Fehlern wird durch Veröffentlichen von Arbeiten reduziert – andere Fachleute können die Arbeiten beurteilen und prüfen. So setzt sich ggf. eine Erkenntnis durch oder wird widerlegt. Fehlverhalten gibt es trotzdem, aber man kann es bemerken.

Wissenschaftliches Veröffentlichen

Einen entscheidenden Anteil an wissenschaftlicher Arbeit hat das Veröffentlichen. Durch dieses werden eigene Erkenntnisse geteilt, aber eben auch der Kritik und Auseinandersetzung durch andere Wissenschaftler ausgesetzt – wenn man so will eine Art von Qualitätskontrolle.

Eine typische Form von Veröffentlichung sind Abschlussarbeiten. In der Regel haben diese aber nur eine recht geringe Bedeutung, so dass sie zwar den gleichen Regeln folgen, aber selten zitiert werden. Doktorarbeiten sind ebenfalls Veröffentlichungen, welche einen größeren Umfang haben und je nach genauer Promotionsordnung von mindestens zwei Gutachtern bewertet werden – vor allem sollte dabei darauf geachtet werden, dass die oben genannten Prinzipien eingehalten sind. Das Ergebnis der Arbeit ist nachrangig. Die Doktorarbeit stellt nur den Nachweis dar, dass man wissenschaftlich arbeiten kann. Stellt man also in der Arbeit eine These auf und kommt am Ende auf die Schlussfolgerung, dass die These falsch war, ist dies kein Nachteil (es sei denn es war bereits offensichtlich).

Die häufigste Form der Veröffentlichung ist aber die als Fachartikel. Es gibt Konferenzartikel, welche nicht begutachtet werden, deswegen aber auch nur sehr geringen Wert als Veröffentlichung haben. Begutachtete Artikel erscheinen typischerweise in Fachzeitschriften. In diesem Fall reicht man bei einer Zeitschrift, z.B. Nature, die Arbeit ein. Diese wird dann von unabhängigen Gutachtern bewertet. Die Autoren des Artikels erfahren nicht, wer die Gutachter sind, um sicherzustellen, dass es zu keinen Nachteilen für diese kommt (wenn z.B. bei einem anderen Fall die Autoren mal Gutachter für diese Wissenschaftler sind). So wissen die Gutachter, dass sie ganz ungezwungen beurteilen können. In der Regel finden die Gutachter einige Dinge, die verbessert werden können – oder stellen fest, dass die Arbeiten wissenschaftlichen Ansprüchen nicht gerecht wird (z.B. nichts wesentlich Neues beschreibt, oder ungenau ist). Dann können sie Verbesserungen vorschlagen oder von einer Veröffentlichung abraten. Im ersteren Falle kann der Artikel überarbeitet werden, was mitunter auch wesentliche Wiederholung von Berechnungen oder Experimenten beinhaltet. Dann wird sie erneut eingereicht und wieder bewertet. Üblicherweise ist diese Bewertung final – also entweder wird der Artikel dann angenommen oder nicht veröffentlicht. Einmal veröffentlicht, können andere Wissenschaftler sich darauf beziehen, die Arbeit prüfen usw.

Diese Art und Weise der Publikation stellt sicher, dass nur korrekt erarbeitetes Wissen Einzug in die wissenschaftliche Basis hat. Zwar sind Fälschungen vorgekommen, allerdings ist das selten und bedeutet dann auch das Karriereaus für die entsprechenden Personen.

Die Struktur einer Veröffentlichung folgt dabei immer dem gleichen Muster. Nach der Formulierung der Problemstellung, resp. These, gibt man zuerst den derzeitigen Stand des Wissens wieder – dies dient dazu, die eigene Arbeit einzuordnen. Was wurde schon gemacht? Welche vorherigen Wege wurden beschritten, um die Frage zu beantworten und welche Ergebnisse kamen dabei heraus?

Anschließend beschreibt man seine eigene Methode. Dies kann z.B. ein Experimentaufbau sein oder eine Beschreibung von Algorithmen, die man verwendet hat, um bestimmte Berechnungen durchzuführen. Wichtig ist, dass alles präzise so beschrieben wird, dass jeder andere die Arbeit wiederholen kann. Welche Parameter wurden variiert, um z.B. deren Einfluss zu beurteilen. Möchte ich z.B. Tomatenwachstum untersuchen, könnte ich die Menge an Dünger variieren – ein Beet mit 50 g Dünger, eines mit 100 g und eines ohne.

Daraufhin werden objektiv die erzielten Ergebnisse beschrieben. Hier ist keine Interpretation enthalten, sondern lediglich eine Beschreibung. Dies kann ganz banal sein, z.B. eine Beschreibung eines Temperaturverlaufs. Wesentliche Punkte sollten besonders hervorgehoben werden, also z.B. Maximalwerte. Im oben genannten Beispiel des Tomatendüngers, könnte auch ein Ertrag der Tomatenpflanzen in kg ein Messwert sein. Je nach Ergebnis könnten auch weitere Untersuchungen notwendig werden.

Erst danach und davon getrennt, erfolgt die Diskussion der Ergebnisse. Hier können die Wissenschaftler sich „austoben“ und das beobachtete interpretieren – und diese Interpretation mit Belegen stützen. Es wird also nicht wild spekuliert, sondern mit Fakten argumentiert. Genauso werden offene Punkte erwähnt und es wird deutlich gemacht, warum diese offen sind und nach Möglichkeit ein Weg aufgezeigt, wir man diese offenen Punkte klären kann (auch wenn das in der aktuellen Arbeit nicht möglich war). Vielleicht gibt es ja einen Anstieg des Tomatenertrags von 0g Dünger zu 50g, aber bei 100g wird er wieder weniger. Dies könnte an einer Überdüngung liegen. Also könnte man noch ein Experiment mit 75g durchführen und vielleicht 25g, um den Verlauf genauer bestimmen zu können.

Zum Ende kommt die Schlussfolgerung, welche im Grunde die Frage zu Beginn beantwortet und das zuvor geschriebene zusammenfasst.

Diese Art der Dokumentation und Veröffentlichung ermöglicht korrektes Arbeiten und effektiven Fortschritt.

Natürlich muss man nicht so veröffentlichen. Man kann seine Ergebnisse auf verschiedenste Weise publizieren, in einem Blog, einem Buch, auf Handouts, wie auch immer man dies möchte. Allerdings dann sind die Ergebnisse nicht geprüft und haben in der Regel weniger Gewicht. 


Finanzierung

Ein häufiger Vorwurf ist, dass die Wissenschaftler das herausbekommen, was sie herausbekommen sollen und durch ihre Finanzierung beeinflusst sind. Tatsächlich wird dies mit verschiedenen Mitteln verhindert.

Es gibt typischerweise zwei Arten von Finanzierungen – Grundmittel und Drittmittel. Je nach Forschungsrichtung ist der Anteil verschieden. Aber Universitäten und Forschungseinrichtungen haben in der Regel eine Grundfinanzierung aus Steuermitteln, die mit einem Auftrag von Forschung in einem bestimmten Gebiet verbunden sind – eine Ergebnisvorgabe erfolgt jedoch nicht. Diese Finanzierung erfolgt aufgrund eines Gesetzes (z.B. Haushaltsgesetz der Bundesregierung). Dort ist dann z.B. vorgegeben, dass das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt unter anderem im Bereich Raumfahrttechnologie forschen soll.

Eine noch größere Unabhängigkeit haben Professuren. Mit einer Professur ist eine bestimmte Finanzierung, d.h. Ausstattung mit Geldmitteln, verbunden und diese ist gesetzlich garantiert. Ein Professor oder eine Professorin ist aber explizit nicht weisungsgebunden oder z.B. einem Ministerium unterstellt. Dies garantiert Unabhängigkeit. Welche Mittel einer Professur zugewiesen sind, wird spätestens bei der Einstellung vertraglich festgelegt und kann danach nicht geändert werden, ohne, dass die Professorin oder der Professor dem zustimmen. Es ist also nicht so, dass plötzlich eine Professur aufgelöst werden kann, wenn ein Wissenschaftler etwas herausfindet, dass dem Ministerium vielleicht missfällt.

Die zweite Form der Mittel sind Drittmittel. Diese werden durch externe Aufträge eingeholt. Häufig passiert dies über Ausschreibungen – also die EU gibt z.B. eine Ausschreibung heraus zu einem gewissen Thema. Interessenten schreiben ein Angebot, bzw. einen Antrag auf die Mittel und begründen darin, was sie warum mit dem Geld vorhaben und wie sie die vorgegebenen Ziele erreichen wollen. Dabei ist aber auch nicht das Ergebnis vorgegeben, sondern nur die Fragestellung. Also z.B. lautet der Ausschreibungstext nicht, dass man zeigen soll, dass CO2 keinen Einfluss auf das Klima hat, sondern dass man den Einfluss des CO2 auf das Klima beziffern soll. Ein Antragsteller macht dann vielleicht den Vorschlag über Satellitendaten zu messen wie viel CO2 in der Atmosphäre ist und dies dann mit gemessenen Temperaturen zu vergleichen. Ein anderer schlägt vor, dass er CO2 über die von Kraftwerken und Industrie ausgestoßenen Abgase in der Menge beziffert und dies mit Temperaturen vergleicht.

Beide würden sicherlich noch Wege vorschlagen, um alternative Einflüsse auszuschließen.

Es gibt auch ganz ungebundene Mittel. Im Falle solcher Ausschreibungen kann das Forschungsthema völlig frei vorgeschlagen werden – dabei muss dann natürlich um so mehr die Relevanz nachgewiesen werden. Bei themengebundenen Ausschreibungen hat der Auftraggeber ja schon festgelegt, was für ihn relevant ist.

Wichtig ist, dass bei der Veröffentlichung der Daten die Finanzierungsquelle offengelegt wird. Dies ist eine Form für Transparenz zu sorgen. Wenn man z.B. Geld von einem Kohlekraftwerkhersteller bekommen hat und dann veröffentlicht, dass Kohlekraftwerke die idealste Form der Energieerzeugung sind, dann werden Leser sicherlich besonders genau hinschauen. Viel häufiger ist allerdings, dass Mittelgeber aus der Industrie eine Veröffentlichung nicht vorsehen, weil der Forschungsauftrag genutzt werden soll, um einen Wettbewerbsvorteil zu erhalten. Also beispielsweise soll ein effizienteres Herstellungsverfahren entwickelt werden – wenn man es veröffentlichen würde, könnten auch andere daraus Vorteile ziehen. Öffentliche Drittmittelgeber, insbesondere die EU, schreiben in der Regel dagegen eine Veröffentlichung vor.


Vorwurf: Nur eine Sichtweise wird zugelassen

Häufig hört man in Diskussionen, dass Wissenschaftler verbohrt nur eine Meinung zulassen. Dies ist nicht korrekt, ganz im Gegenteil.

Aber wie schon im Bereich der These beschrieben, dürfen neue Thesen, altes Wissen nicht verletzen, um glaubwürdig zu sein. Behauptet man also das Gravitationsgesetz würde nicht stimmen, muss man schon eine sehr gute Alternative formulieren – bisher war das erfolglos – um den anerkannten Fakt, nämlich dass es eine Anziehungskraft auf der Erde und zwischen Himmelskörpern gibt, zu erklären.

Wenn man lediglich eine Behauptung aufstellt, muss man sich nicht wundern, wenn diese keine wissenschaftliche Akzeptanz erfährt. Fakten müssen die Behauptung belegen.

Tatsächlich aber, strebt jeder Wissenschaftler danach solche Umwälzungen zu finden – einen größeren Erfolg gibt es gar nicht. Albert Einstein, Werner Heisenberg, Galileo Galilei und Cecilia Payne-Gaposchkin haben ihre Wissenschaftsfelder in ihrer Zeit revolutioniert und hatten durchaus erheblichen Widerstand zu überwinden. Dies gelang ihnen aber mit Hilfe wissenschaftlicher Fakten, die man eben nicht bestreiten konnte. Gerade weil sie eine These vertreten haben, die anfangs unglaublich gewesen ist, haben sie allerdings so großen Ruhm erlangt (leider mit Ausnahme von Cecilia Payne, die mangels Transparenz von Herrn Russel, erst sehr spät dafür bekannt wurde, die Zusammensetzung der Sonne bestimmt zu haben). Jeder kennt heute Einstein und das nicht, weil er etwas beschrieben hat, was alle von Anfang an geglaubt haben, sondern gerade, weil er etwas beschrieben hat, was unserer Weltanschauung einst stark widersprochen hat – bis die Fakten gezeigt haben, dass es der wissenschaftlichen Wahrheit entspricht.

Mich reizt an der Wissenschaft das Neue – dadurch wird jede Arbeit spannend und interessant. Routine stellt sich nicht ein. Und die Vorstellung, dass etwas so relevant ist, dass andere es eventuell selbst verwenden, ist natürlich auch ein Anreiz.

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