Experiment

Vermehrung der Erfahrenheit durch den Trieb, allerlei zu versuchen. Kupferstich von Daniel Chodowiecki

Ein Experiment (von lateinisch experimentum „Versuch, Beweis, Prüfung, Probe“) im Sinne der Wissenschaft ist eine methodisch angelegte Untersuchung zur empirischen Gewinnung von Information (Daten). Experimente werden in vielen Wissenschaften benötigt und durchgeführt, beispielsweise in Naturwissenschaften, Ingenieurwissenschaften, Medizin, Psychologie und Soziologie. Meist sind Zählungen oder Messungen ein wichtiger Teil des Experiments.

Definition und grundlegende Eigenschaften

Das Experiment stellt eine „Frage an die Natur“ dar (in den Sozialwissenschaften: an die gesellschaftliche Wirklichkeit). Dieser Frage kann eine bestimmte Hypothese zugrunde liegen, die man prüfen will;^[1] Carl Friedrich von Weizsäcker hat in diesem Sinne sogar von einem „Verhör“ der Natur gesprochen.^[2] Das Experiment kann aber auch einfach darin bestehen, ohne bestimmte Hypothese eine bis dahin nicht beobachtete Situation herbeizuführen und sich vom Ergebnis „überraschen zu lassen“. Derartige Experimente werden beispielsweise dann durchgeführt, wenn sich die Untersuchungsmöglichkeiten erweitert haben, etwa durch Einführung einer genaueren Messmethode oder Inbetriebnahme eines Teilchenbeschleunigers mit höherer Energie. Die Ergebnisse können dann Entdeckungen sein.

Jedes Experiment benötigt eine Versuchsanordnung; sind Versuchspersonen oder andere lebende Objekte beteiligt, spricht man auch vom Forschungsdesign. Manchmal wird die Anordnung selbst als „das Experiment“ bezeichnet, insbesondere z. B., wenn sie nur für ein einziges mögliches Experiment entworfen und hergestellt wird und dies den Großteil der experimentellen Arbeit ausmacht.

Bei vielen Experimenten fallen die Messdaten in Form stochastisch schwankender Zahlenwerte an und müssen dann mit statistischen Methoden einschließlich statistischer Tests ausgewertet werden.

Aus experimentellen Resultaten werden durch Schlussfolgerung Erkenntnisse gewonnen. Diese sind dann, oft im Zusammenspiel mit einem Modell oder auch als Grundlage eines neuen Modells, Grundlage einer Theorie.

Manche Experimente sind aus ethischer Sicht oder wegen nicht genügend berücksichtigter Gefahren unzulässig oder zumindest umstritten. Dies gilt vor allem in der Medizin (siehe Menschenversuch, Tierversuch), aber beispielsweise auch für Kernwaffentests und Gentechnik.

Vom Experiment zu unterscheiden ist die bloße wissenschaftliche Beobachtung – beispielsweise in Astronomie, Geologie, Biologie – bei der nicht in das beobachtete System eingegriffen wird. Experiment und wissenschaftliche Beobachtung haben gemeinsam, dass sie im Allgemeinen auf einer Theorie mit daraus folgenden Hypothesen fußen und dass sie planmäßig durchgeführt werden.^[3]

Besonderheiten in den einzelnen Wissenschaften

Physik, Chemie und verwandte Fächer

Im typischen naturwissenschaftlichen Experiment werden bestimmte Einflussgrößen (unabhängige Variablen) einer Situation systematisch verändert und die dadurch hervorgerufenen Änderungen anderer Größen, der abhängigen Variablen, gemessen. Die übrigen, nicht variierten Einflussgrößen werden oft als Parameter bezeichnet. Die experimentelle Situation kann in den Naturwissenschaften i. A. willkürlich hergestellt und kontrolliert werden. Dementsprechend wird von den Ergebnissen die Reproduzierbarkeit – Nachvollzug mit gleichem Ergebnis durch andere Forscher, an anderem Ort, zu anderer Zeit – als Kriterium der Glaubwürdigkeit gefordert.

Die klassische Physik ging davon aus, der Einfluss der Beobachtung auf den beobachteten Gegenstand könne immer durch geeignete Maßnahmen vernachlässigbar klein gehalten werden. Die Einsicht, dass jeder Beobachter das Beobachtungsergebnis spezifisch beeinflusst, etwa durch Einbringen von Messungenauigkeiten, hat beispielsweise auf dem Gebiet der Astronomie zum Begriff der persönlichen Gleichung geführt.^[4] Bei Experimenten mit Quantenobjekten lässt sich der Einfluss der Beobachtung jedoch grundsätzlich nicht vermeiden.

Ein Experiment trifft unmittelbare Aussagen nur über die mit der Versuchsanordnung präparierte Situation. Jedoch können über den Begriff der Widerspruchsfreiheit auch Theorien überprüft werden, die Aussagen über prinzipiell Unbeobachtbares treffen, wie sie in der Theoretischen Physik und der Kosmologie auftreten.

Nach Karl Poppers kritischem Rationalismus lassen sich (Hypo-)Thesen grundsätzlich nicht beweisen (verifizieren), sondern nur widerlegen (falsifizieren). Widerlegt das Experiment die Hypothese nicht, kann dies als Stützung der Hypothese aufgefasst werden, sofern die Ergebnisse für die Hypothese relevant sind (siehe Falsifizierbarkeit).

Da das Experiment nur über den jeweils dargestellten Spezialfall Auskunft gibt, ist umstritten, ob es Naturgesetze im Sinne allgültiger Verallgemeinerungen überhaupt gibt. Im Sinne der empiristischen Regularitätstheorie sind die Natur„gesetze“ bloß gewohnheitsmäßige Erfahrungen, die sich in jedem Experiment wieder bestätigen müssen. Axiome und Paradigmen sind zweckmäßige Annahmen. Sie werden nicht mehr explizit überprüft, spielen jedoch in folgenden Experimenten eine so große Rolle, dass eine Unstimmigkeit sofort bemerkt würde.

Gedankenexperimente sind Experimente, die in Gedanken, nicht als wirkliches Experiment ausgeführt werden, um im Rahmen einer Theorie zu Erkenntnissen zu gelangen. Zuweilen kann ein Gedankenexperiment später bei verbesserten Versuchsmöglichkeiten als reales Experiment durchgeführt werden.

Ingenieurwissenschaften, Technik

Experimente in angewandten Wissenschaften und in der Technik ähneln in Ausführung und Eigenschaften meist den Experimenten der naturwissenschaftlichen Grundlagenforschung. Sie sind jedoch nicht immer kausal orientiert („welche Folgen entstehen aus gegebenen Ursachen?“), sondern oft final orientiert („durch welche Mittel wird ein gegebener Zweck erreicht?“).

Psychologie, Sozialwissenschaften

Bei psychologischen und sozialwissenschaftlichen Experimenten sind die Einflussgrößen i. A. weniger exakt steuerbar. Die strenge Reproduzierbarkeit kann hier nicht gefordert werden; stattdessen werden die Validität und die Reliabilität betrachtet. Die Kontrolle von Störfaktoren ist ein entscheidender Teil des Experiments.

Für ein strenges Experiment ist das von R. A. Fisher entwickelte Prinzip der „Randomisierung“ als Konsequenz der „ceteris-paribus-Klausel“ kennzeichnend: Die experimentellen Behandlungsbedingungen werden den Versuchsgruppen, diesen wiederum die Probanden nach dem Zufall („randomisiert“) zugewiesen. Dadurch werden Scheinerklärungen ausgeschlossen, nach denen z. B. ein Verhalten als Effekt der experimentellen Behandlung bezeichnet wird, das tatsächlich bereits vorher bestanden hat – nicht die neue Unterrichtsmethode hat zu den besseren Ergebnissen geführt, die Probanden dieser Versuchsgruppe hatten schon vor der Untersuchung einen Lernvorsprung. Der Grad, in dem tatsächlich randomisiert wird, ist ein Merkmal zur Unterscheidung der Typen des Experiments. Diese Beschränkung ist insbesondere bei Experimenten in der Klinischen-, Pädagogischen, Arbeits- und Organisationspsychologie von Belang. Häufig ist jedoch eine vollständige Randomisierung nicht möglich, da Klienten-, Schüler- oder Mitarbeiter-Gruppen aus organisatorischen Gründen vorgegeben sind.^[5]

Die verschiedenen Arten von Experimenten lassen sich folgendermaßen voneinander abgrenzen:

Labor- und Feldexperimente und Quasi-Experimentelle Designs

• Laborexperimente gegen Feldexperimente: Laborexperimente ermöglichen eine weitgehende Kontrolle eventueller Störvariablen. Feldexperimente finden in der „natürlichen“ Umgebung statt.

• Randomisierte Experimente gegen Quasi-Experimente: siehe Forschungsdesign

Das Problem der objektiv gültigen Messung stellt sich in den Sozialwissenschaften in verschärfter Weise, weil hier Beobachter und Beobachteter in einer sozialen Interaktion aufeinander einwirken.^[6]

Biologie, Medizin, Pharmakologie

Soweit Experimente in Biologie, Medizin, Pharmakologie usw. mit Gruppen von Individuen arbeiten, sind die oben genannten Begriffe des Forschungsdesigns auch hier wichtig. In der Medizin werden solche Experimente meist als klinische Studien bezeichnet. In der Arzneimittelentwicklung dienen sie beispielsweise zur Ermittlung der Dosis-Wirkungs-Beziehung, aber auch der Nebenwirkungen.

Experimentatorik

Die Regeln für Anlage und Durchführung wissenschaftlicher Experimente und für ihre Dokumentation, d. h. geeignete schriftliche Darstellung (siehe Versuchsprotokoll) werden manchmal als Experimentatorik bezeichnet.

• In einem Experiment unterscheidet sich die Beobachtung von der unsystematischen Wahrnehmung durch ihre angestrebte Beobachterunabhängigkeit. Bei jedem Versuch ist auszuschließen, dass die Erwartungen – oder sogar die bloße Anwesenheit – des Experimentators das Versuchsergebnis beeinflusst. Effekte, die zu Fehldeutungen führen können, wie der Konfundierungseffekt in der Psychologie oder ein Artefakt (Sozialforschung), aber auch etwa Gravitationskräfte, die eine Person auf eine physikalische Versuchsanordnung ausübt, müssen durch die konkrete Versuchsanordnung vermieden werden.
• Die Dokumentation muss hinreichend aussagekräftig sein. Sie sollte u. A. bekannte oder mögliche Unsicherheiten und Messfehler nennen und diskutieren. Sie soll nicht nur über Fakten und herrschende Bedingungen, sondern auch über Hypothesen und Absichten Bescheid geben; zumindest darf nichts Wesentliches übergangen werden. Welche Tatsachen wesentlich sind und welche nicht, ist von Disziplin zu Disziplin verschieden. Während die Kleidung des Experimentators in einem physikalischen Experiment offensichtlich seiner Wahl überlassen werden kann, kann sie in psychologischen Experimenten das Verhalten der Versuchsperson beeinflussen (z. B. den Experimentator als respekteinflößend oder eben das Gegenteil erscheinen lassen).
• Alle beobachteten Vorgänge müssen dokumentiert werden, auch fehlgeschlagene Versuche (kein Resultat) und solche, die ein anderes als das erwartete Resultat hervorbringen, denn auch oder gerade diese können Information liefern und manchmal zu neuen Hypothesen führen. Die Unterschlagung einzelner Versuchsdaten, die das Ergebnis beeinflussen würden, kann nahezu unbewusst geschehen; dies ist besonders wichtig bei Versuchen, die ein statistisches Argument aufbauen.

Entwicklung experimenteller Teilwissenschaften

Durch Fortschritte in Theorie, Experimentatorik und Interdisziplinarität haben sich in einigen Disziplinen speziell auf Experimente ausgerichtete Teilgebiete entwickelt, so die Experimentalphysik, die Experimentalpsychologie, die Experimentelle Ökonomie oder die Experimentelle Archäologie. Auch kann die Numerische Mathematik als experimentelle Disziplin angesehen werden.

Die Astronomie musste in der Vergangenheit auf Experimente verzichten, abgesehen von Experimenten zur Verbesserung der Beobachtungstechnik. Heute kann die Raumfahrt als experimentelle Astronomie bezeichnet werden. Jede Raumfahrtmission hat experimentellen Charakter: So hatte z. B. die erste Generation der GPS-Satelliten eine Absicherung an Bord für den Fall, dass die allgemeine Relativitätstheorie nicht stimmt.

Die Biologie war lange Zeit eine rein beobachtende Wissenschaft. Heute jedoch gestattet das biologische Experiment beispielsweise, direkt die determinierenden Einwirkungen auf einen untersuchten Prozess zu bestimmen. Auch können Prozesse, die in der Natur zu langsam oder zu schnell verlaufen, im Experiment durch Beschleunigen bzw. Verlangsamen beobachtbar gemacht werden.

Geschichte

Das Experiment ist ein wesentlicher Bestandteil im wissenschaftlichen Fortschrittsprozess. Mit der Entwicklung von Selbstverständnis der Wissenschaft, Methodik und Instrumentarium erlangte es nicht nur immer größere Bedeutung für die Gesellschaft, sondern es änderte damit auch seinen Charakter: Neben der Funktion in der Forschung, in der es auf Galileo Galilei zurückgeht, sind Experimente eine didaktische Methode.

Berühmte Experimente

• Galileo Galilei – Versuche (1623) zum freien Fall
• Otto von Guericke (1663) Magdeburger Halbkugeln (Effekte des Luftdrucks)
• Benjamin Franklin – Nachweis (1752), dass Blitze eines Gewitters elektrische Effekte sind
• Cavendish – Experiment (1797) zur Messung der Gravitationskonstante
• Thomas Young – Doppelspaltexperiment (1802) zum Nachweis von Welleneigenschaften von Licht
• Michael Faraday – Versuchsreihe (1831) zu Elektrizität und Magnetismus
• Kreuzungsversuche (1865) mit Erbsen von Gregor Mendel
• Michelson-Morley-Experiment (1881) zur Messung der Unabhängigkeit der Lichtgeschwindigkeit von der Bewegung der Erde
• Heinrich Hertz – Nachweis (1886) der Übertragung elektromagnetischer Wellen
• Wilhelm Conrad Röntgen – Entdeckung (1895) der Röntgenstrahlen
• Schwärzung eines Films durch Radioaktivität (Becquerel 1896)
• Millikan-Versuch (1910) zur Messung der Elementarladung von Robert Andrews Millikan
• Ernest Rutherfords Streuversuche (1910), mit denen er den Atomkern nachwies
• Iwan Pawlows Experiment der Konditionierung von Hunden (bedingter Reflex)
• Uranspaltung (1938) von Otto Hahn und Lise Meitner
• Thor Heyerdahls Nachbauten historischer Schiffe und seine Fahrten (1947), um das frühe Transportwesen zu überprüfen
• Miller-Urey-Experiment (1953) Urzeugung von Leben, Aminosäuren aus Uratmosphäre
• Stanley Milgrams Experiment (1961) zur Untersuchung der Bereitschaft eines Menschen, einer (Pseudo-)Autorität zu folgen (Milgram-Experiment)
• Benjamin Libets Experiment (1979) zum sogenannten freien Willen.
• Psychologisches Experiment zu Unaufmerksamkeitsblindheit (auch als Inattentional Blindness bzw. Blindheit wegen Unaufmerksamkeit bekannt) von Simons und Chabris (1998)
• Die Nichtdeterministischen Experimente nach Paul Watzlawick
• Am LHC zeitigt die Suche nach dem Higgs-Teilchen 2012 erste Erfolge

Das Experiment in der Kunst

„Kreidefelsen auf Rügen“ (um 1818)

Es gehört zum eigentlichen Wesen der europäischen Kunst, sich intensiv mit der Naturwissenschaft auseinanderzusetzen. Tatsächlich ist eine Trennung in Wissenschaft und Kunst noch nicht alt; bis in die Renaissance galten beide als unverzichtbare Bestandteile einer humanistischen Bildung.

Ein Aspekt der Beziehung zwischen Experiment und Kunst ist, dass Künstler aller Epochen versucht haben, die neuesten Erkenntnisse künstlerisch umzusetzen, also direkt an der Interpretation der Ergebnisse mitzuarbeiten. Als Beispiele seien hier genannt:

• Die Erfindung der Zentralperspektive ist eigentlich der Kunst zuzuordnen, und wurde erst nach Albrecht Dürers Underweysung der messung mit dem zirckel un richtscheyt Untersuchungsgebiet der darstellenden Geometrie.
• Herausragend ist die Arbeit von Leonardo da Vinci, dessen Werke als direkte Anwendung seiner Erfindungen und Experimente zu interpretieren sind.
• Als künstlerisches Thema erscheint die Abbildung von Betrachtern – eine Beobachtung zweiter Ordnung – in der Zeit nach der Aufklärung, als die Romantik versuchte, ein Gegengewicht zu einem vom Menschen streng getrennten – und ihm überlegenen – Kosmos zu schaffen, so im Bildwerk von Caspar David Friedrich, bei denen der Betrachter der Werke sehr häufig Personen im Vordergrund beobachten kann, die selbst eine Landschaft o. ä. betrachten – nicht selten so platziert, dass diese mehr sehen können als er.
• Émile Zola betrachtete seine Romane (Le roman expérimental, 1880) als experimentelle Anordnungen mit gleichsam sozialwissenschaftlichem Erkenntniswert. Damit begründete er den Naturalismus in der Literatur.
• Die fotografischen Untersuchungen von Bewegungen von Eadweard Muybridge stellen sowohl ein wissenschaftliches als auch ein künstlerisches Experiment dar.
• Die Werkserien von René Magritte und M. C. Escher kann man als erkenntnistheoretische Experimente sehen, wenn auch ohne methodische Auswertung.

Zum anderen ist Kunstschaffen in seinem Drang nach dem Neuen experimentell an sich. Im Gegensatz zum wissenschaftlichen Experiment ist das künstlerische nicht unbedingt reproduzierbar, teilweise verweigert es diese Forderung sogar absichtlich. Es soll dazu dienen, neue Möglichkeiten des Ausdrucks, des Mediums zu finden, Dinge auf eine Weise zu sehen oder zu tun, wie sie zuvor nicht gesehen oder getan wurden. Die Kreativität ermöglicht, neue Formen, Kombinationen, Perspektiven zu entwickeln. Es stellt also in ähnlicher Weise Grundlagenforschung dar und versucht, den Kunstbegriff zu erweitern oder zu überprüfen. Das künstlerische Experiment kann dabei auch scheitern, etwa an eigenen Ansprüchen oder Ablehnung des Publikums.

Beispiele finden sich im Experimentalfilm, in Teilen der zeitgenössischen Kunst, in der avantgardistischen oder Neuen Musik, aber auch in der Literatur. In der Postmoderne tragen auch Teile des Mainstreams experimentelle Elemente in sich (etwa im Musikvideo). Gleichzeitig werden dezidiert experimentelle Werke von einem Großteil des Publikums zurückgewiesen (Kulturindustrie) und kämpfen mit finanziellen Schwierigkeiten, Ausnahmen wie Kubricks Film 2001: Odyssee im Weltraum sind selten.

Beiden Formen ist aber gemeinsam, dass sie explizit eine Frage an die Welt darstellen und eine Gesamtheit aus Beobachter, Objekt und Beobachtung sind. Und mit der streng wissenschaftlichen Forschung teilen sie die hohen Anforderungen an Einfallsreichtum und Inspiration.

Siehe auch

• Zufallsexperiment
• Langzeitexperiment
• Gedankenexperiment
• Quasi-experimentelles Design
• Webexperiment
• Kunst
• Theorie der Kunst
• Replikation (Versuch)
• Statistische Versuchsplanung

Literatur

• Steven Schwartz: Wie Pawlow auf den Hund kam. Die 15 klassischen Experimente der Psychologie. ISBN 3-407-85102-2.
• Klaus Hentschel: Mythen um berühmte Experimente und Experimentatoren: Das Märchen vom Zauberer im weißen Kittel. In: Physik in unserer Zeit. 34(5), 2003, ISSN 0031-9252, S. 225–231.
• Hans-Jörg Rheinberger: Experiment. Differenz. Schrift. Zur Geschichte epistemischer Dinge. Basiliken-Presse, Marburg an der Lahn 1992.
• Reto U. Schneider: Das Buch der verrückten Experimente. München 2006, ISBN 978-3-442-15393-0.
• Helmar Schramm et al. (Hrsg.): Spektakuläre Experimente. Praktiken der Evidenzproduktion im 17. Jahrhundert. Berlin, New York 2006, ISBN 978-3-11-019300-8.
• Nieding, G. & Ohler, P. (2004). Laborexperimentelle Methoden. In R. Mangold, P. Vorderer & G. Bente, (Hrsg.). Lehrbuch der Medienpsychologie (Kap. 15). Göttingen: Hogrefe.
• Weber, Marcel: Philosophy of Experimental Biology (Cambridge Studies in Philosophy and Biology), ed. M. Ruse, Cambridge/New York, Cambridge University Press, 2005, ISBN 978-0-52-114344-8

Einzelnachweise

Weblinks

Wiktionary: Experiment – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Wikiquote: Experiment – Zitate

Commons: Experimente – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

• Inhalte eines einfachen Versuchsprotokolls (PDF-Datei; 47 kB)
• Experiment in Physiscs. Eintrag In: Edward N. Zalta (Hrsg.): Stanford Encyclopedia of PhilosophyVorlage:SEP/Wartung/Parameter 1 und weder Parameter 2 noch Parameter 3