Vergleichende Analyse der Herausbildung naturwissenschaftlicher und technischer Theorien

In jeder wissenschaftlichen Untersuchung, auch in einer methodologischen, ist die Analyse konkreten empirischen Materials nur dann mö glich, wenn bereits Ausgangsabstraktionen in Gestalt idealer Objekte vorgegeben sind. Um das Wissen empirisch untersuchen zu kö nnen, mü ssen wir es zunä chst als besonderes theoretisches Objekt konstruieren. Dieses Objekt wird auf der Basis einer ersten Analyse des empirischen Materials aufgebaut (in der gegenwä rtigen Entwicklungsetappe der Wissenschaft wird es in der Regel aus angrenzenden Theoriebereichen ü bernommen) und dient zugleich als Mittel zu dessen weiterer Analyse. Dabei werden die ursprü nglichen theoretischen Vorstellungen im realen Forschungsprozeß stä ndig aus der Sicht des neuen empirischen Materials korrigiert und modifiziert. Dies alles gilt auch fü r die «idealen Objekte» der methodologischen Forschung. Wir stellen uns mit dem vorliegenden Artikel die Aufgabe, theoretischen Ausgangsvorstellungen ü ber die Etappen und Mechanismen der Herausbildung einer technischen Theorie zu formulieren, die bei der inhaltsbezogenen methodologischen Analyse Anwendung finden kö nnen. Da eine inhaltsbezogenen methodologischen Analyse naturwissenschaftlicher Theorien bereits in nennenswertem Umgang durchgefü hrt worden ist, erscheint es produktiv, deren Resultate auch fü r die Untersuchung von technischen Theorien zu nutzen. Ziel einer derartigen Analyse muß die Feststellung von Ä hnlichkeiten und Unterschieden in den Etappen und Mechanismen der Herausbildung der Theorien sein. Als methodologische Ausgangsvorstellungen verwenden wir Ergebnisse, wie V. Stepin bei der Analyse der Entstehung technischer Theorien gewonnen hat.

Die traditionelle Schema der Entstehung einer klassischen technischen Theorie stellt sich folgendermaß en dar: Den Ausgangspunkt dieses Prozesses bildet eine bereits hinreichend entwickelte «Basis»-Naturwissenschaft, aus der die Mittel fü r die Lö sung der ingenieurtechnischen Aufgaben entnommen werden; im weiterem Verlauf werden spezifische theoretische Mittel geschaffen, und die technische Theorie entwickelt sich relativ selbststä ndig weiter. Zugleich wird angenommen, dass die Ingenieurpraxis der bestimmte Faktor fü r die Entstehung einer technischen Theorie ist. Dieses Schema ist jedoch sehr abstrakt und lä sst sich nicht ohne Einschrä nkung auf alle konkreten wissenschaftshistorischen Tatsachen anwenden. Fü r eine vergleichende Analyse des Entstehungsprozesses naturwissenschaftlicher und technischen Theorien mü ssen auch ideale Objekte der methodologischen Untersuchung oder «Idealtypen» der Herausbildung technischer Theorien «konstruiert» werden. Zu diesem Zweck mü ssen wir Paare naturwissenschaftlicher und technikwissenschaftlicher Disziplinen vergleichen. Fü r die Analyse ihrer Ä hnlichkeiten sind nach unserer Auffassung die theoretische Mechanik und die Theorie der Mechanismen, fü r die Darstellung des Unterschiedes die klassische Elektrodynamik und die Funktechnik besonders gut geeignet.

Sowohl bei den technischen als auch bei den naturwissenschaftlichen Theorien (sofern es sich um eine entwickelte Wissenschaft handelt) besteht die Theoriebildung in der Regel darin, dass aus irgendeinem und in Hinblick auf die neue Klasse von Erscheinungen modifiziert wird. «Nur in frü heren Entwicklungsstadien der Wissenschaft, in denen sich der Ü bergang von der vorzugsweise empirischen Untersuchung der Objekte zu ihrer theoretischen Aneignung vollzieht, werden die Konstrukte der theoretischen Modelle mittels direkter Schematisierung der Erfahrung geschaffen. Spä ter jedoch dienen sie als Mittel fü r den Aufbau neuer theoretischer Modelle, und diesen Verfahren beginnt in der Wissenschaft dominieren.»1 So ü bernahm beispielweise Galilei das geometrisch-kinematische Schema aus der Astronomie, wo die Bewegungen der Himmelkö rper in Ü bereinstimmung mit den Theoremen und Postulaten der euklidischen Geometrie in maximal reiner Form analisiert wurden. Eine ä hnliche Situation ergab sich Ende des 18. Jahrhunderts bei der Untersuchung von Maschinen, als G. Monge das theoretische Modell fü r ihre Beschreibung aus der darstellenden Geometrie ü bernahm. Dieses Modell entsprach dem geometrisch-kinematischen Schema Galileis, ü berschritt also nicht Denkrahmen der klassischen Mechanik. Entsprechend den Bedü rfnissen der Ingenieurpraxis wurde es jedoch etwas modifiziert.

Die weitere Umgestaltung dieses Models erfolgte durch konstruktive Einfü hrung neuer Idealer Objekte. Niemand zweifelt daran, dass dieser Prozeß fü r die technische Theorie durch die Ingenieurtä tigkeit bestimmt war. In den ersten Etappen war jedoch die Herausbildung der naturwissenschaftlichen Theorie stark von den Anforderungen der Ingenieurpraxis bestimmt. So wurden beispielsweise die Arbeit von Tartaglia und Galilei ü ber den freien Fall durch das Bedü rfnis angeregt, die Flugbahn von Artelleriegeschossen genauer zu berechnen. In diesem Sinne war auch das Experiment selbst ursprü nglich mit der Ingenieurtä tigkeit verbunden. Ein Musterbeispiel dieser Tä tigkeit demonstrierte R. Hooke, der gleichzeitig wissenschaftlicher Experimentator und Ingenieur war. Zugleich muß in Betracht gezogen werden, dass sowohl die Ingenieurtä tigkeit als auch das Experimentieren nur mö glich wurden, weil mit idealen Objekten operiert werden konnte, mit denen sich idealisierte experimentelle und ingenieurtechnische Situation, die in der Natur nicht anzutreffen waren, kü nstlich schaffen ließ en.

Die Entwicklung spezieller theoretischer Schemata fü r die Ingenieurtä tigkeit ist sowohl fü r die technischen als auch fü r die Naturwissenschaften charakteristisch. Ch. Huygens beispielweise entwickelte nicht nur die Theorie des schwingenden Pendels, sondern auch eine neue, dieser Theorie entsprechende Uhrenkonstruktion und baute sogar selbst Uhren. Verallgemeinerte ontologische Schemata und mathematisierte Theorien sind eine allgemeine Bedingung fü r die Reife der Forschung sowohl in natur- als auch in technikwissenschaftlichen Disziplinen. In der Theorie der Mechanismen wurde dadurch nicht nur die Analyse, sondern auch die theoretische Synthese vö llig neuer Mechanismen mö glich. Analogon des naturwissenschaftlichen Weltbildes in der Theorie der Mechanismen ist dabei das verallgemeinerte klassifikatorische (ontologische) Schema aller mö glichen (auch der potentiell mö glichen) Mechanismen.

Die Entwicklung der klassischen Elektrodynamik in den Arbeiten von Faraday, Maxwell und Hertz verlief auf einem etwas anderen Weg. Die experimentellen Untersuchungen, die Faraday auf der Basis des von ihm geschaffenen universellen theoretischen Modells der elektromagnetischen Erscheinungen vornahm, stü tzen sich auf keinen mathematischen Apparat. Erst Maxwell entwickelte auf der Grundlage dieses Modells einen adä quaten mathematischen Apparat, den er (zusammen mit dem Faradays ursprü ngliches Modell angepaß ten ontologischen Schema) aus der Mechanik homogener Medien ü bernahm. In den Arbeiten von Herz wurde dieses Modell nicht nur experimentell bestä tigt, sondern auch fü r elektromagnetische und optische Erscheinungen verallgemeinert; diese Verallgemeinerung folgte logisch aus der Maxwellschen Theorie, war aber bis dahin noch nicht experimentell nachgewiesen.

Die experimentellen und theoretischen Untersuchungen von Faraday, Maxwell und Hertz enthielten implizit die Mö glichkeit der Nachrichtenfernü bertragung. Im Rahmen der naturwissenschaftlichen Theorie wurde diese Aufgabe jedoch nicht explizit gestellt und konnte sie in Prinzip auch nicht gestellt werden. In der theoretischen Funktechnik, die sich in Zusammenhang mit den ingenieurtechnischen Anwendungen der Elektrodynamik entwickelte, wurde diese Aufgabe bewusst formuliert. Ihr mathematischer Apparat wie auch ihre theoretischen Erklä rungsschemata dienten von Anfang an der Konstruktion von Strukturschemata neuer ingenieurtechnischer Objekte.

Die Herausbildung der theoretischen Funktechnik hingt in „reinster Form«von der Elektrodynamik als naturwissenschaftlicher Basistheorie ab. Der Einfluß der Ingenieurtä tigkeit war hier sekundä r. Als die ersten radiotechnischen Erfindungen gemacht wurden, war die Theorie aus Ausbreitung elektromagnetischer Wellen bereits aufgestellt und experimentell bestä tigt, jedoch waren zunä chst noch keinerlei Nutzanwendungen dieser Theorie fü r die Ingenieurpraxis ins Auge gefasst. Einen entwickelten Industriezweig, wie er im Fall der Theorie der Mechanismen bestanden hatte, gab es hier noch nicht, und die Theorie konnte nicht zur Begrü ndung bereits geschaffener Gerä te verwendet werden. In der Theorie der Mechanismen war der Einfluß der zum Zeitpunkt ihrer Entstehung bereits hinreichend entfalteten Ingenieurpraxis bestimmend, und an diese musste sich die in Entstehen begriffene technische Theorie anpassen. Auf dem Gebiet Funktechnik hingegen formierte sich die Ingenieurtä tigkeit parallel zur technischer Theorie und unter deren bestimmender Einwirkung. Deshalb sind die konstruktiven Untergliederungen der Funktechnik weitgehend von ihren theoretischen Schemata abhä ngig.

Der Hauptunterschied zwischen einer technischen und einer naturwissenschaftlichen Theorie besteht darin, daß in der ersteren die Prozeduren der Zuordnung theoretischer Modelle zu den Konstruktionschemata realer ingenieurtechnischen Objekte speziell normiert sind. Sowohl der mathematische Apparat als auch die naturwissenschaftliche Erklä rung des Funktionierens der ingenieurtechnischen Objekte sind hier von sekundä rer Bedeutung, im Unterschied zur Naturwissenschaft, in der die Erklä rung und Voraussage von Naturerscheinungen das hauptsä chliche Ziel ist, die experimentellen Anordnungen und mathematischen Konstruktionen dagegen eine Hilfsfunktion erfü llen (obwohl Experimetal- und Ingenieurtä tigkeit auch ineinander ü bergehen kö nnen). Fü r die Naturwissenschaft sind alle ingenieurtechnischen Resultate Nebenergebnisse. In der technischen Wissenschaft sind sie hingegen organischer Bestandteil der Theorie selbst.

Somit kann das von uns aus der methodologischen Analyse der Genesis einer naturwissenschaftlichen Theorie entnommene Schema fü r die technische Theorie folgendermaß en modifiziert und konkretisiert werden. In der ersten Etappe ihres Aufbaus wird ein ontologisches Ausgangschema aus einer naturwissenschaftlichen Basistheorie oder, wenn keine den praktischen Ingenieuraufgaben adä quate Basistheorie vorhanden ist, aus einem benachbarten theoretischen Bereich eingefü hrt. In der zweiten Etappe erfolgt eine Anpassung dieses Schemas durch Subsumtion und Verallgemeinerung empirischen Materials (konstruktionstechnischer und technologischer Kenntnisse). Die dritte Etappe - die Modifizierung des technischen Ausgangsmodells – besteht in der Ausprä gung zweiter Schichten dieses Modells: des «Fließ schemas», das den in dem ingenieurtechnischen Objekt ablaufenden Naturprozeß beschreibt, und des Strukturschemas, das seine Konstruktionselemente und technologischen Verknü pfungen abbildet. Dann werden diese Schichten mit den ingenieurtechnischen Berechnungsverfahren in Ü bereinstimmung gebracht. Parallel werden einzelne spezielle theoretische Schemata detailliert ausgearbeitet.

Die Ausarbeitung eines verallgemeinerten Schemas, das uns aus benachbarten Gebieten oder aus einer naturwissenschaftlichen Basistheorie ü bernommen wird, ist die vierte Etappe der Herausbildung einer technischen Theorie. Wenn es in der naturwissenschaftlichen Basisdisziplin keinen dieser Theorie entsprechenden Abschnitt gibt, dann wird dieser speziell dafü r ausgearbeitet. In die technikwissenschaftliche Disziplin werden ideale Objekte eingefü hrt, die fü r alle ingenieurtechnischen Objekte typisierte Elemente und Kopplungen zwischen diesen (Regeln der Montage und Demontage) aufweisen mü ssen. Weiter wird zwischen den idealen Objekten und den Konstruktionselementen der realen ingenieurtechnischen Objekte eine Zuordnung hergestellt, das heiß t, es werden Verfahren der Analyse und Synthese der ontologischen Schemata eingefü hrt. Wenn sich die Ingenieurtä tigkeit auf dem betreffenden Gebiet bereits vor diesem Zeitpunkt herausgebildet hat, dann kann sie dem theoretischen Modell entsprechend umgestaltet werden. In dieser Etappe werden Versuche unternommen, das verallgemeinerte ontologische Schema auf die Klasse der hypothetischen ingenieurtechnischen Objekte zu projizieren; damit wird die Aufstellung einer mathematischen Theorie notwendig (fü nfte und abschließ ende Etappe). Das erfordert wiederum eine Modifizierung des verallgemeinerten ontologischen Schemas durch eine Schicht von Funktionsschemata, die auf die Abbildung der mathematischen Abhä ngigkeiten orientiert sind. Die Angabe von Operationen der ä quivalenten Umformung dieser Schemata (deduktiver Schluß) erlaubt eben die erwä hnte «Projektion», also die Synthese neuer ingenieurtechnischer Objekte. Damit entsteht auf der empirischen Ebene der technischen Theorie ein Block praktisch-methodischer Kenntnisse (Empfehlungen fü r eine noch nicht ausgefü hrte Tä tigkeit). Die Anwendung der technischen Theorie erfolgt direkt in der Ingenieurpraxis. Als Beweis fü r die Lebensfä higkeit und den konstruktiven Charakter einer Theorie dienen die auf ihrer Grundlage geschaffenen neuen ingenieurtechnischer Objekte.