Modelle und ihre Grenzen

Modelle in der Physik

Beim Wort Modell denkst du wahrscheinlich an Technik (Modellautos, Modelleisenbahn), Architektur (Modell eines Gebäudes), Kunst (Modell in der Malerei) oder Kultur („Models” in der Modebranche).

In den Naturwissenschaften dagegen ist das Wort Modell ein Überbegriff. Es bezeichnet eine vereinfachte, gedankliche (oft mathematische) oder gegenständliche Darstellung der Theorien über die Natur innerhalb eines bestimmten Themenbereichs. In diesem Sinne soll ein Modell unsere Vorstellung von Teilen der Natur anschaulich zeigen bzw. erklären. Es hilft uns dabei, Phänomene zu verstehen und Vorhersagen zu treffen. Allerdings hat jedes Modell Grenzen. Es ist kein naturgetreues Abbild der Natur oder eines bestimmten Teiles der Natur, sondern ein Abbild der Theorie. Ein Modell soll die abstrakten Vorstellungen der Theorie besser verständlich machen. Je nach Fragestellung kann eine Theorie auch verschiedene Modelle haben. Je nachdem, was man gerade erklären, zeigen oder verstehen möchte, muss möglicherweise ein anderes Modell gewählt werden.

Eine Landkarte und ein Globus sind zum Beispiel gegenständliche Modelle unserer Theorie vom Aussehen der Erde. Sie zeigen in vereinfachter Weise die Lage und Größe der Landmassen, Ländergrenzen, Gebirge, Wüsten, Ozeane, usw. Dabei können sie niemals alles zeigen und geben außerdem nur einige, wenige Bereiche unseres Wissens und unserer Theorien über den Planeten Erde wieder.

Wollen wir aber etwas über Erdbeben, Vulkanismus und den inneren Aufbau der Erde wissen, stoßen diese Modelle an ihre Grenzen. Dafür brauchen wir andere Modelle, wie zum Beispiel das interaktive Schalenmodell der Erde.

Verschiedene Modelle der Erde, von U-Bahn-Fahrplan bis Schalenmodell – haben ihre Berechtigung und können nebeneinander existieren – aber eben für unterschiedliche Zwecke.

Modelle, Theorien und Experimente

Das Nachdenken über Beobachtungen und Zusammenhänge der Natur führt möglicherweise zum Gedanken „so könnte es sein!“ und damit zu einer neuen Theorie. Aber erst durch ein oder mehrere (oft gedankliche oder mathematische) Modelle kann eine Theorie anschaulich dargestellt und durch Experimente überprüft werden.

In der Mathematik kann die Richtigkeit einer Theorie ohne Experimente bewiesen werden. In den Naturwissenschaften – und damit auch in der Physik – ist es dagegen nicht möglich, die Richtigkeit einer Theorie endgültig zu beweisen. Aber das Experiment macht es möglich, eine Theorie (zumindest vorläufig) zu bestätigen oder endgültig zu widerlegen. Widerlegen bedeutet beweisen, dass etwas falsch ist. Du fragst dich jetzt vielleicht: „Wie können Physiker*innen dann wissen, ob eine Theorie absolut richtig ist und niemals mehr widerlegt werden kann?“ Die korrekte Antwort lautet: „Das können sie nie wissen.“ In den Naturwissenschaften ist es daher das Ziel, Theorien und Modelle zu entwickeln, die die beobachtbare Welt zumindest möglichst gut beschreiben und erklären. Auf dieser Basis kann man dann immerhin möglichst genaue Vorhersagen machen und Berechnungen durchführen.

Durch das ständige Experimentieren und Widerlegen ändern und verbessern sich die Theorien und Modellvorstellungen der Naturwissenschaften im Laufe der Zeit. Veraltete Vorstellungen werden verbessert oder durch neue ersetzt, wenn sie die beobachteten Phänomene nicht erklären können.

Blackbox-Spiel

Was man selbst tut, prägt sich oft besser ein als das, was man nur liest. Deshalb kannst du auch am besten nachempfinden, wie sich Naturwissenschaftler*innen fühlen, wenn du selbst Experimente durchführst. Hier kannst du mit der Blackbox deine eigenen Experimente durchführen. Zeichne dein Modell und teste deine Theorie!

In deiner Box befinden sich Spiegel, die das Licht umlenken. Bei deinem Experiment versuchst du, die Blackbox als Modell nachzubauen. Wie müssen die Spiegel angeordnet sein, damit das Licht den gleichen Weg wie in der Blackbox nimmt? Durch Anklicken lassen sich die Spiegel drehen und verschieben. Oft sind mehrere Lösungen möglich. Sobald du die Spiegel richtig eingerichtet hast, klicke auf den Lichtschalter!

Diese optische Blackbox steht hier stellvertretend für viele Arbeitsgebiete der Naturwissenschaften, die keine Möglichkeit bieten hineinzuschauen. Wir können zum Beispiel auch nicht in das Innere der Erde hineinschauen (die tiefsten Bohrungen sind nur ungefähr 12 km tief). Trotzdem wissen wir durch Messungen von Erdbebenwellen schon sehr viel über das Innere der Erde. Ganz ähnlich gehst du hier bei der Blackbox vor. Nur benutzt du Licht statt Erdbebenwellen.