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Ein physikalisches Gesetz oder auch Naturgesetz beschreibt (meist in mathematischer Form) Zustände und deren Änderungen eines physikalischen Systems mittels messbarer, eindeutig definierter physikalischer Größen (Parameter, Variablen).
Inhaltsverzeichnis |
Physikalische Gesetze formulieren in der Regel Veränderungszusammenhänge: Sie beschreiben also, wie eine Ausgangssituation durch eine Verlaufsfunktion in eine Endsituation verändert wird.
Ein physikalisches Gesetz muss mit reproduzierbaren physikalischen Experimenten vereinbar sein. Im allgemeinen Sprachgebrauch gilt es dann auch als bestätigt.
Ein physikalisches Gesetz ist immer Teil einer physikalischen Theorie, die einheitlich und widerspruchsfrei sein muss und durch die Praxis bestätigt werden muss. Eine Theorie, deren Vorhersagen noch nicht bestätigt werden konnten, lässt sich genauer mit dem Begriff Hypothese charakterisieren (wie z. B. die Stringtheorie).
Eine geschlossene Theorie ist die Gesamtheit von Gesetzen, die ein ganzes Gebiet vollständig beschreiben, wie z. B. die Maxwellschen Gleichungen die gesamte Elektrodynamik beschreiben. Dies gilt allerdings wieder nur in den definierten Grenzen und Modellen (idealer Leiter, ideales Vakuum etc.).
Physikalische Gesetze sind meist in der Sprache der Mathematik verfasst, da diese die notwendige logische und konzeptionelle Klarheit besitzt. Hinzu kommen sprachliche Beschreibungen und Illustrationen der Zusammenhänge. Sowohl die einzelnen Begriffe als auch der Geltungsbereich müssen hierbei definiert sein.
Die wissenschaftlich akzeptierten physikalischen Gesetze bestimmen das im 20. Jahrhundert vorherrschende materielle Weltbild. Es steht im Gegensatz zu einem Weltbild, in dem sich die Natur nicht ausschließlich entsprechend beobachtbarer Gesetzmäßigkeiten verhält, sondern auch entsprechend anderen (nicht beobachtbaren) Prinzipien, wie z. B. entsprechend dem Willen höherer Wesen oder des Confinements.
Im Laufe der Zeit wurden immer wieder scheinbar unabhängige Gesetze auf jeweils einen zu Grunde liegenden Zusammenhang zurückgeführt. Ein Beispiel hierfür sind die zahlreichen in der Mechanik beschriebenen Kräfte und die Gesetze ihres Wirkens, die letzten Endes alle auf elektromagnetische Wechselwirkungen und die Gravitation zwischen und in den beteiligten Körpern zurückgeführt werden können.
Der Übergang von der Newton'schen Physik zur Relativistik Albert Einsteins zeigt, wie sich als unumstößlich erkannt geglaubte Gesetze dann doch nur als Modell für einen Spezialfall (nämlich für kleine Geschwindigkeiten und Massen) erweisen.
Diese Überlegung führt zur Suche nach "letzten" und grundlegenden Gesetzen, einem Weltgesetz, mit dem "alles" erklärt und aufgebaut werden kann, vergleichbar den mathematischen Axiomen. "Stringtheorie", "Quantengravitation" und "Große Vereinheitlichte Theorie" sind Beispiele für diese Bemühungen.
Jedes Naturgesetz, das auf ein allgemeineres Gesetz zurückgeführt werden kann, hat nur noch den Rang eines Modells. Dies ist ein Argument für die Vermutung, alle uns bekannten Naturgesetze seien tatsächlich nur Konstrukte des menschlichen Geistes.
Die Bezeichnung Natur"gesetz" legt nahe, die Natur verhalte sich ähnlich wie Personen unter dem Zwang von Gesetzen; tatsächlich ist die Physik aber eine Erfahrungswissenschaft, und die von ihr aufgestellten "Gesetze" sind nur Beschreibungen des vorgefundenen Verhaltens.
Um die Vorgänge exakt zu beschreiben, werden Naturgesetze meist mathematisch formuliert. Ein Beispiel dafür ist das Gravitationsgesetz von Isaac Newton. Es lautet: Die Anziehungskraft F zwischen zwei Massen <math>m_1</math> und <math>m_2</math> ist proportional der Größe der Massen und umgekehrt proportional zum Abstandquadrat <math>r^2</math>.
G ist dabei ein Proportionalitätsfaktor, der die Massen <math>m_1</math> und <math>m_2</math> und das Inverse des Abstandsquadrats <math> 1/{r^2}</math> miteinander in Relation setzt. Da dieser als Gravitationskonstante bezeichnete Faktor in allen untersuchten physikalischen Systemen den exakt gleichen Wert besitzt und eine fundamentale physikalische Wechselwirkung (die Anziehung von Massen untereinander) beschreibt, spricht man von einer Naturkonstanten.
Die Abgrenzung was ein Naturgesetz ist und was keines, ist nicht immer ganz scharf.
Viele mathematische Sätze enthalten wichtige Aussagen, die in der Naturwissenschaft und anderswo genutzt werden. Der Satz Die Winkelsumme im Dreieck in der Ebene beträgt 180 Grad ist korrekt. Er ist aber nach allgemeiner Ansicht kein Naturgesetz, sondern ein mathematischer Lehrsatz, der auf gewissen Grundaxiomen der Geometrie beruht.
In den angewandten Wissenschaftszweigen und der der Technik verwendet man zahlreich Formeln, die gewisse Zusammenhänge physikalischer Messgrößen hinreichend beschreiben, ohne dass die zugrundeliegenden Zusammenhänge eindeutig klar sind: Sie „funktionieren“ einfach, „erfahrungsgemäß“ und „gut genug“. Das nennt man empirische Formel oder empirisches Gesetz.
Diese Formeln sind keine Gesetzmäßigkeiten im physikalischen Sinne, ihnen fehlt die theoretische Grundlage. Teilweise handelt es sich jedoch um Idealfälle oder Vereinfachungen von Naturgesetzen, deren Ungenauigkeit sich in bekanntem Rahmen hält, und für eine spezifische Anwendung hinreichend genau ist.
Andererseits müssen empirische Formeln oder Formelsätze aber nicht einmal unbedingt auf die korrekten Einheiten Rücksicht nehmen und benutzen oft ebenso empirische Kenngrößen (dimensionslose Kennwerte). Im Extremfall nennt man sie dann Faustregel.
Wikiquote: Naturgesetz – Zitate 
