Meine Physik – ein Anfang


Das ist eine Fortsetzung von Wozu Physik lernen? (Teil 3)

Ich vermische jetzt zunehmend meine bisherigen Erfahrungen mit meinen daraus entstehenden Gedanken darüber, wie ich die Physik zur Sprache bringen könnte. Dabei geht es mir zunächst darum, einen Anfang zu rekonstruieren, den ich mit meinem Leben in der Jetztzeit verbinden kann. Ich bleibe vorerst beim Antrieb, nicht nur weil ich gerne Motorrad fahre, sondern weil ich mir die gesamte Produktion der menschlichen Lebensbedingungen – jenseits psychologisch gemeinter Triebe – als angetrieben vorstelle.

Diese Vorstellung erscheint mir selbst in einer gewissen Weise primitiv, weil ich in der Produktivkraftentwicklung zwischen angetriebenen Maschinen und geregelten Automaten unterscheide. Die entwickeltere Logik der Automaten erkenne ich in der Kybernetik. Hier beobachte ich den Antrieb mit der Hypothese, dass sich die Physik genau damit befasst. Ich kenne überdies keine Automaten, die nicht auch angetrieben sind. Auch das Internet funktioniert nicht ohne Motoren.

Meine sehr verschiedenartigen Interessen an Motoren kann ich durch spezifische Fragestellungen repräsentieren. Als Konstrukteur interessieren mich vor allem die Konstruktion und die Funktionsweise. Als Besitzer oder Anwender des Motors interessiert mich dessen Stärke, für die ich mich dann auch als Konstrukteur interessieren muss. Ich muss deshalb eine Vorstellung davon haben, was ich als Stärke bezeichne. Eine spezifische Vorstellung habe ich, wenn ich ein Verfahren angeben kann, durch welches ich die jeweils gemeinte Stärke des Motors messe(n kann). Die Stärke des Motors zeigt sich in verschiedenen Hinsichten. Ein Fahrzeug mit einem starken Motor erreicht beispielsweise eine hohe Geschwindigkeit oder eine hohe Zugkraft. Ich kann die Stärke auf sehr viele verschiedene Arten messen.

Die einfachste Messung besteht in einem Vergleich, wozu ich noch kein – explizites – Mass brauche. Ich kann die Stärke von Motoren experimentell vergleichen, indem ich schaue, welches Fahrzeug im direkten Vergleich schneller fährt. Ich kann ein Wasserrad mit Pferden stillhalten und dabei beobachten, wie viele Pferde ich dazu brauche. Wenn ich mich für die Länge eines Motors interessieren würde, könnte ich den Motor mit anderen Motoren vergleichen, indem ich sie nebeneinander stelle. Wenn ich mich für die Stärke eines Motors interessiere, vergleiche ich den Motor im einfachsten Fall auch mit anderen Motoren. Aber dabei brauche ich ein spezifisches Verfahren, durch welches die Stärke einen Ausdruck findet. Mein Interesse für die Stärke eines Motors ist wiederum doppelt. Ich bin interessiert daran, starke Motoren zu haben und ich bin interessiert daran, die Stärke der Motoren zu kennen, also deren Stärke zu messen.

Als einfachste Messung etwa sehe ich das Vergleichen eines Gegenstandes mit einem konventionell gewählten und in der jeweiligen Hinsicht vergleichbaren Gegenstand. Beim Messen unterscheide ich verschiedene Arten des Vergleichens, was ich durch verschiedene Grössenarten bezeichne. Ich kann etwa eine Fahnenstange messen, indem ich sie mit dem Ur-Meter vergleiche und dabei ein Längenverhältnis von beispielsweise 5,4 feststelle, oder indem ich sie mit dem Ur-Kilogramm vergleiche, und dabei ein Verhältnis von 7,3334 feststelle. Länge messe ich durch „nebeneinanderlegen“, Gewicht messe ich durch „auf die Waage legen“. In einem einfachen Fall mag das Artefakt ein Massstab sein und das Verfahren durch mich selbst realisiert werden, indem ich den Massstab anlege. Die Fall- und Lichtgeschwindigkeit beispielsweise lassen sich nicht so einfach messen. Über diese Differenz hat G. Galilei gesprochen, als er von „messbar machen“ gesprochen hat. Je nachdem, was ich messen will, brauche ich aufwendigere Konstruktionen – und oft ein theoretisches Verständnis zu den Konstruktionen.

Maschinen stelle ich normalerweise nicht dazu her, dass ich deren Stärke vergleichen oder messen kann, sondern weil sie mir als Maschinen bei bestimmten Arbeiten dienen. Das Herstellen und Verwenden von Maschinen bezeichne ich als Technik. Da ich auch beim Vergleichen von Maschinen spezifische Verfahren entwickeln muss, kann ich auch darin eine Technik erkennen. Ich kann dabei von quasi selbstbezüglicher Messtechnik sprechen, wenn ich eine Technik entwickle um Technik zu vergleichen. Die eigens zum Messen entwickelten technischen Artefakte bezeichne ich im Unterschied zu Werkzeugen als Instrumente. Mit Instrumenten will ich nichts herstellen, sondern etwas messen. Umgangssprachlich verwende ich den Ausdruck Instrument aber oft subtiler, wenn ich etwa auch von chirurgischen Instrumenten spreche. Hier geht es mir darum, dass ich für das Messen eine eigene Technik entwickle. Die Verfahren dieser Technik bezeichne ich als Messtechnik, und in Bezug auf die sie so ermittelten Resultate als Physik.

In der so gedachten Physik mache ich einen Motor zu einem Instrument, weil ich ihn nicht zum Arbeiten, sondern zu Messen verwende. Nur nebenbei, systemtheoretisch spreche ich dabei von einem re-entry, weil der Motor auf der anderen Seite der Unterscheidung zwischen Motor und Werkzeug wieder erscheint.

Unter dem Gesichtspunkt meiner Physik geht es mir darum, adäquate Messverfahren zu entwickeln. Dabei interessiert mich hier der Motor, nicht die Natur. Ich muss zur Sprache bringen, welche quantitative Eigenschaft des Motors ich wie messe. Wo das Wasserrad einen Göpel ersetzt, ersetzt es auch die Pferde, die den Göpel antreiben. Dort interessiert mich zunächst, wie viele Pferde ich ersetzen kann. Wenn ich den Pferden – begrifflich noch unentwickelt – eine „Stärke“ zurechne, scheint mir auch der Wasserradmotor eine Stärke zu haben, die ich im Sinne der galileischen Physik messbar machen muss.

Der für die Physikgeschichte wohl wichtigste Motor ist die Dampfmaschine, die in einer langen Entwicklung durch vielen Erfindern geschaffen wurde und schliesslich von N. Carnot unter physikalischen Gesichtspunkten untersucht und beschrieben wurde. Der Ausdruck Dampfmaschine ist nebenbei bemerkt auch ein typisches Beispiel für die unreflektierte Sprache, die durch die Physik auch in die Technologie eingedrungen ist. Die Dampfmaschine ist keine Maschine, sondern ein Motor, wofür oft auch der begrifflich unsinnige Ausdruck „Kraft-Maschine“ verwendet wird. Als Motor bezeichne ich einen – eigentlich artefaktischen – Mechanismus, der dazu verwendet wird, eine Maschine in Bewegung zu versetzen.

Im Verfahren von N. Carnot wurde die „Stärke“ analytisch aufgeteilt. Ich muss also dieses Verfahren rekonstruieren, wenn ich die Stärke der Motoren entsprechend aufheben will. Ich muss verstehen, was wie gemessen wird, um zu einem rationalen Energiebegriff zu kommen.

In mir bekannten Geschichten bildet die Dampfmaschine den zu rekonstruierenden Ausgangspunkt der moderneren Physik. Sie ist aber technisch gesehen bereits ziemlich kompliziert. Ein paar Aspekte kann ich auch an einem einfacheren Motor beobachten und messbar machen. Den einfachsten Motor erkenne ich in einem Wasserradmotor. Wenn von einem Wasserrad gesprochen wird, ist normalerweise nicht das Rad gemeint, sondern ein ganzer Mechanismus, in welchem ein Wasserrad eine entscheidende Rolle spielt. Sehr oft spielt es keine Rolle, wenn die Sprache etwas lax oder umgänglich verwendet wird, aber wenn es mir darum geht, die bezeichnete Sache genauer zu verstehen, muss ich auch meine Begriffe genauer beobachten, also adäquate Formulierungen finden. Deshalb unterscheide ich hier Maschinen und Motoren, und deshalb spreche ich auch von einem Wasserrad-Motor, wenn ich einen solchen meine.

Bevor ich den Wasserradmotor genauer beobachte, muss ich nochmals auf Geschichten der Schulphysik zurückkommen. Gemeinhin wird – oft auch mit Bezug auf G. Galilei – das Experiment ins Zentrum der physikalischen Naturwissenschaft gestellt. Als Experiment gilt in diesem Kontext, dass die naturwüchsige Beobachtung von Naturereignissen durch Beobachtungsverfahren ersetzt wird, durch welche die wahre Natur besser beobachtbar und erkennbar wird. Als Standardbeispiel dient die Verlangsamung des freien Falles durch die von G. Galilei verwendete schiefe Ebene. Das Messen erscheint dann quasi als Ausdifferenzierung des Experimentes, während das Messen als solches lange vor dem Experimentieren als Weg der Erkenntnis praktiziert wurde. Die Astronomie – die oft als Ursprung der Wissenschaft gesehen wird – kannte naheliegenderweise lange Zeit keine Experimente, aber natürlich konnte gemessen werden, wie lange es dauert, bis sich ein bestimmtes Ereignis wie etwa der Vollmond wiederholt. Unterschieden wird in solchen Wissenschaftsgeschichten das „reine“ von einem „manipulierten“ Beobachten.

Nebenbei bemerkt, in einer – eher selten anzutreffenden – Schulphysik, in welcher die eigenen Disziplin wenigstens teilweise reflektiert wird, wird das Experiment als Differenz zwischen Experiment und Verifikation von Hypothesen gesehen. Als Experiment erscheint dabei ein prinzipiell wiederholbares Verfahren, das zu einem Ergebnis führt, das prinzipiell – oder statistisch durch Exhaustion gemittelt – immer gleich ausfällt. Diese Art von Experiment mache ich ohne viel zu denken im Alltag, wenn irgendein Verfahren wiederhole, um zu sehen, ob ich damit nochmals das gleiche Resultat erreiche. Für die Wissenschaft spielt nicht das Experiment die wichtige Rolle, sondern die durch eine Theorie begründete, hypothetische Erwartung des Resultates eines Experimentes. Im physikalischen Experimentüberprüfe ich eine Hypothese. G. Galilei etwa machte beispielsweise Aussagen über den freien Fall im Vakuum, ohne dass er ein Vakuum herstellen konnte. H. Maturana hat das Verfahren als ein rekursives Verfahren beim Erklären von Phänomenen beschrieben. Dabei wird zunächst das Phänomen in einer passenden Weise beschrieben. Dann konstruiert man eine Erklärung, mittels welcher das Phänomen verstanden werden kann. Dann leitet man anhand der Erklärung weitere Aspekte des Phänomens ab und prüft, ob diese neuen Aspekte beim zu erklärenden Phänomen auch vorhanden sind. Dabei verändert sich das Phänomen und der Prozess beginnt von neuem. Ich werde im Folgenden darauf Bezug nehmen. Vorerst geht es mir darum, dass wissenschaftliche Experimente zu einer jeweiligen Theorie gehören, durch welche beschrieben wird, was die Resultate des Experimentes bedeuten. Aber das spielt hier keine Rolle.

In meiner Physik bezeichne ich als Experiment, wenn ich mit einem Verfahren nicht etwas produzieren, sondern etwas messen will. Das Experiment besteht aber nicht in einer abstrakten Messung überhaupt, sondern in einem reproduzierbaren Verfahren, das nicht im Kopf oder in Gedanken stattfindet, sondern in der materiellen Welt. Die Beschreibung des Experimentes beschreibt die Funktionsweise einer Konstruktion, die ich herstellen muss, wenn ich das Experiment machen will. Wenn ich etwa die Stärke eines Motors beispielweise bei verschiedenen Drehzahlen messen will, brauche ich einen Motor. Wenn ich einen Motor aber in diesem Sinn ausmesse, verwende ich ihn in einem Experiment.

Wenn ich beispielsweise einen Wasserradmotor herstelle, weiss ich naheliegenderweise, wozu ich das mache und damit verbunden, weiss ich auch welche Eigenschaften des Motors mich in einem quantitativen Sinn interessieren. Ich habe also eine relativ klare Vorstellung davon, was ich allenfalls im Hinblick auf eine Optimierung der Funktion des Motors messen könnte – auch wenn ich dafür noch kein spezifisches Verfahren und noch keine konventionelle Vergleichsgrösse bestimmt habe – also um mit G. Galilei zu sprechen, den „Motor“ noch nicht messbar gemacht habe.

Gesellschaftlich gesehen wurden Motoren zweihundert Jahre nach G. Galilei „messbar“ gemacht und in der Schulphysik werden nochmals zweihundert Jahre später die dabei entwickelten begrifflichen Vergleichsgrössen als abstrakte Naturverhältnisse unterrichtet. Ich will im Sinne der erwähnten Reformpädagogik eine exemplarische Geschichte rekonstruieren und dabei bewusst sehr langsam vorgehen. Da die Schule, die auf das wirkliche Leben vorbereiten will, auf eine kapitalistische Produktionsweise ausgerichtet ist, verzichtet sie auf unnötige Herleitungen, wo das vergesellschaftete Produktionswissen hinreichend gewährleistet ist. In unserer arbeitsteiligen Gesellschaft genügt, wenn ein paar Ingenieure Maschinen konstruieren und rekonstruieren können. Die Sprache dieser Ingenieure ist überdies extrem restringiert. Es ist deshalb kaum böser Wille, dass in der Schule Technik und deren Entwicklungsgeschichte nicht zur Sprache kommt. Diese Sprache und das damit verbundene Begreifen fehlen weitgehend, weil sie unter den gegebenen arbeitsteiligen Verhältnissen nicht gebraucht wird.

Vielmehr lässt sich die Schule gerade so begreifen, dass sie an romeffizienter statt an effektiver Ausbildung orientiert ist. Für die Programmierung von Computern beispielsweise wurden eigens sogenannte Programmiersprachen erfunden, die explizit den Sinn hatten, dass Programmierer von Computern nichts verstehen müssen. Die Programmiersprachen können ohne jedes technische Verständnis über die mechanisch elektronischen Maschinen gelernt und verwendet werden. N. Wirth, ein Erfinder von Programmiersprachen, schreibt, dass von der Reduktion des Programmieraufwandes durch Programmiersprachen, welche IBM mit Fortran bewusst anstrebte, ein wesentlicher Anteil darin bestehe, dass die Programmierer, die dem Computer Befehle geben, praktisch nichts vom Computer wissen müssen. Was es alles zu wissen gäbe, erläutert anhand des vermeintlich einfachen Beispiels, wie die Position eines Objektes im jacquard1Computer darzustellen ist. Das Problemchen wäre in modernen Computer ohne Programmiersprachen gewaltig, weshalb von einem Programmierer kaum verlangt werden könnte, dass er über die zu verwendende Zahlendarstellung oder gar über die Eigenschaften der Speichervorrichtung viel weiss. Die Bedeutung der Programmiersprachen liegt offensichtlich darin, die Ausbildung und das begriffliche Verständnis auf dem Niveau zu halten, das gesellschaftlich notwendig ist (Todesco, R.: Wie Ingenieure über Computer sprechen).

Die Schulphysik begreife ich unter diesem Gesichtspunkt als eine oberflächliche Beschreibung, in welcher die zugrundeliegenden Verhältnisse abstrahiert werden, weil sie für die eigentliche Funktion der Schule selbst ohne Belange sind – oder sogar schädlich wären. Für meinen eigenen Lernprozess dagegen rekonstruiere ich bestimmte Entwicklungen, die die hochabstrakte und sprachlose Physik möglich machten.

Fortsetzung: Meine Physik – Teil 2

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