Beobachtung / Fragestellung

Die treibende Kraft der Wissenschaft ist die Neugierde! Man beobachtet oder liest etwas und fragt sich: Wie funktioniert das eigentlich? Jeder kennt das. Aber anders als den meisten anderen Menschen lässt einer Wissenschaftlerin oder einem Wissenschaftler diese Frage oft so lange keine Ruhe, bis die Antwort darauf gefunden ist. Hat ein Wissenschaftler eine Antwort gefunden, werden dadurch oft wieder neue Fragen aufgeworfen.

Die erste Aufgabe, um die Frage zu beantworten, besteht darin, diese konkret zu formulieren. Erst dann kann die Suche beginnen.

Recherche

Die erste Anlaufstelle, um eine Frage zu beantworten, ist fast immer die Literatur. Oft ist man nicht die erste Person, die sich mit einer Frage beschäftigt und unter Umständen findet man in Veröffentlichungen von anderen auch gleich eine Antwort.

Mit dem Internet bieten sich nahezu unbegrenzte Möglichkeiten der Recherche. Viele wissenschaftliche Artikel sind dort frei verfügbar. Jedoch ist es gerade bei Quellen im Internet wichtig zu überprüfen, wie vertrauenswürdig diese Quellen sind.

Auch wenn mit der Recherche nicht immer gleich eine Antwort gefunden wird, eignet man sich währenddessen doch viel Hintergrundwissen an, welches bei der weiteren Bearbeitung der Fragestellung helfen kann, die Antwort zu finden.

Hypothese / Modell

Aufbauend auf dem Wissen, das man sich beispielsweise durch die Recherche angeeignet hat, wird ein Modell erarbeitet, welches einen Sachverhalt oder eine Beobachtung möglichst gut beschreiben soll. Für ein solches Modell müssen meist Annahmen und Vereinfachungen gemacht werden. Das sollte jedoch nie willkürlich geschehen, sondern immer gut motiviert sein. Insbesondere in den Naturwissenschaften, aber auch in vielen anderen Wissenschaften, ist die Mathematik die Sprache, mit der Modelle beschrieben oder formuliert werden.

Wenn ein solches Modell erarbeitet wurde, überprüft man es auf Herz und Nieren. Das heißt, man schaut, ob es die Realität tatsächlich gut beschreibt. Dazu überlegt ein Wissenschaftler, welche Konsequenzen sich aus diesem Modell ergeben, die man in einem Experiment messen und somit überprüfen kann.

Experimentdesign

Nachdem klar ist, was gemessen werden soll, muss herausgefunden werden, wie man es misst. Dabei gilt es, verschiedene Dinge zu berücksichtigen.

Zunächst muss ein Versuchsaufbau bzw. ein Detektor entworfen werden, mit dem ein Ereignis gemessen werden kann, ohne das Ergebnis der Messung selbst zu beeinflussen. Mögliche Faktoren, welche das Ergebnis beeinflussen können, müssen beim Experimentdesign bedacht und minimiert werden.

Meist steht für den Bau eines Experiments nur ein limitiertes Budget zur Verfügung. In diesem Fall gilt es eine Kosten-Nutzen-Abschätzung für Komponenten des Experiments vorzunehmen. Beispielsweise ist es sicherlich ausreichend, die Zeit, die ein Dauerläufer für 10 km braucht, mit einer handelsüblichen Stoppuhr zu messen, anstatt mit einer hochpräzisen, aber teuren Atomuhr.

Ein wissenschaftliches Experiment zeichnet sich schließlich auch vor allem dadurch aus, dass dessen Ergebnisse reproduzierbar sind. Denn wenn sich das Ergebnis von Messung zu Messung ändert, verlieren die Aussagen, die auf dessen Grundlage gemacht wurden, ihre Gültigkeit!

Experimentdurchführung

Bevor auch nur eine einzige Messung durchgeführt wird, hat ein Wissenschaftler idealerweise bereits einen Arbeitsplan aufgestellt, den er zielstrebig abarbeitet. Ein solcher Plan hilft effizient zu arbeiten und nicht die Übersicht zu verlieren.

Als erstes wird der Wissenschaftler dann sicherstellen, dass er sein Experiment versteht, um Vertrauen gegenüber dem Ergebnis einer Messung zu schaffen. Dazu werden sogenannte Kalibrationsmessungen durchgeführt, bei denen festgestellt wird, welche Einstellungen der einzelnen Komponenten man für eine bestmögliche Versuchsdurchführung wählen sollte und welche systematischen Fehler, die sich auf die Messung selbst zurückzuführen lassen, zu erwarten sind. Anschließend kann die eigentliche Messung beginnen. Dabei wird sich wieder am Arbeitsplan orientiert und jede Einstellung und jedes Ergebnis genau notiert, sodass auch zu einem späteren Zeitpunkt jeder Schritt nachvollzogen werden kann.

Mit der Messung selbst ist das Experiment aber noch nicht abgeschlossen. Der letzte Schritt ist die Analyse der Daten, was z.B. bedeutet, störende Signale in den Daten herauszufiltern.

Test

Sobald die Daten, die bei einer Messung gewonnen wurden, ausgewertet und analysiert sind, kann das Ergebnis mit den Modellvorhersagen verglichen werden. Unter Umständen stehen gleich mehrere Modelle mit unterschiedlichen Vorhersagen zum Ausgang des selben Experiments zur Verfügung, sodass geprüft werden kann, welches Modell die Daten am besten beschreibt. Möglich ist auch, dass mehrere Modelle die Daten gleichermaßen gut beschreiben.

Erkenntnis

Unabhängig vom Ausgang eines Experiments und dem Ergebnis des Vergleichs von Modell und Daten können neue Erkenntnisse gewonnen werden, wenn man ordentlich gearbeitet hat.

Möglicherweise ergibt der Vergleich eine gute Übereinstimmung von Modell und Daten. Dann gilt es zu zeigen bzw. zu prüfen, ob das Modell das einzig mögliche zur Beschreibung des Sachverhalts ist. Dazu kann man beispielsweise die Vorhersagen des Modells für andere Aspekte eines Phänomen untersuchen. Möglicherweise muss ein Modell angepasst werden, um komplexere Zusammenhänge genauer zu beschreiben.

Auch wenn das Resultat ist, dass Modell und Daten nicht übereinstimmen, kann dies eine gute Erkenntnis sein. Weil ein Modell für gewöhnlich auf Annahmen beruht, die wiederum auf vorhandenen Wissen aufbauen, bedeutet eine Unstimmigkeit von Modell und Daten möglicherweise die Entdeckung eines neuen Phänomens oder Mechanismus. Dieses Ergebnis ist damit für viele Wissenschaftler tatsächlich das aufregendste, da neue Wege gefunden und beschritten werden müssen, um etwas zu erklären.

Veröffentlichung

Wissenschaft baut darauf auf, dass Menschen ihr Wissen miteinander teilen. Ansonsten ist Fortschritt, wie wir ihn heutzutage erleben, nicht möglich. Erkenntnisse, die mit anderen geteilt werden, führen oft zu neuen Fragestellungen, weiteren Experimenten und letztendlich zu noch weiteren Erkenntnissen.

Auch für die Art und Weise, wie Wissen verbreitet wird, hat sich in der Wissenschaft eine Vorgehensweise etabliert. Worauf es besonders ankommt, ist neben den Erkenntnissen an sich auch zu beschreiben, wie man zu diesen gelangen konnte. Man formuliert also eine detaillierte Beschreibung der untersuchten Fragestellung, des Experiments, der Versuchsdurchführung und der Analyse der Daten. Dies ist nötig, damit andere nachvollziehen können, was gemacht wurde und dem Ergebnis Vertrauen schenken bzw. Hinweise auf gemachte Fehler geben können. In jedem Fall sind auch Berichte zu Experimenten mit negativem Ausgang eine Veröffentlichung wert, damit andere nicht zu einem anderen Zeitpunkt dasselbe Experiment durchführen und somit wertvolle Ressourcen verschwenden, die sinnvoller eingesetzt werden könnten.