Theorien in der Physik

Das Wesen physikalischer Theorien
Der Begriff Theorie ist vom griechischen theorein = anschauen abgeleitet.
Unter einer Theorie versteht man in der Physik ein umfassend ausgearbeitetes System von Gesetzen, Modellen und Aussagen über einen mehr oder weniger großen, abgegrenzten Teilbereich dieser Naturwissenschaft. Verbunden ist eine solche Theorie in der Physik meist mit einem mathematischen Formalismus. Kennzeichnend für eine Theorie sind:

• Eine Theorie bezieht sich auf einen klar abgegrenzten Teilbereich der Physik und hat somit stets eine bestimmte Anwendungsbreite. So bezieht sich z.B. die kinetische Gastheorie auf die Beschreibung des idealen Gases unter Nutzung der Teilchenvorstellung.

• Eine Theorie ist an bestimmte Gültigkeitsbedingungen gebunden und nur innerhalb bestimmter Grenzen anwendbar. So beschreibt z.B. die klassische Mechanik die Bewegungen von Körpern mit hinreichender Genauigkeit, wenn die Geschwindigkeiten klein gegenüber der Lichtgeschwindigkeit sind. Für sehr große Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit sind die Gesetze der klassischen Mechanik nicht mehr anwendbar; es gelten die Gesetze der speziellen Relativitätstheorie.

• Ausgehend von einer Theorie und dem damit in der Regel verbundenen mathematischen Formalismus können Sachverhalte in Natur, Technik und Alltag erklärt und Voraussagen getroffen werden, deren Wahrheitswert durch Experimente überprüfbar sein muss und durch die die Gültigkeit der Theorie gestützt oder widerlegt wird.
  So führte z.B. der amerikanische Physiker MICHELSON in den achtziger Jahren des 19. Jahrhunderts Experimente durch, um die Existenz eines Äthers nachzuweisen (Bestätigung der Äthertheorie). Alle diese Versuche hatten jedoch ein negatives Ergebnis. Die in dieser Zeit von fast allen Physikern als richtig angenommene Äthertheorie musste schließlich aufgegeben werden.
  Umgekehrt sagte ALBERT EINSTEIN in seiner 1915 veröffentlichten allgemeinen Relativitätstheorie voraus, dass Licht durch große Massen abgelenkt wird und sich dann nicht mehr geradlinig ausbreitet und gab auch den Wert von 1,7 Bogensekunden für die Ablenkung von Licht durch die Sonne an. Diese Voraussage wurde 1919 durch britische Wissenschaftler bestätigt und war damit eine wichtige Stütze dafür, dass die allgemeine Relativitätstheorie richtig ist. Später wurden weitere von EINSTEIN aus der Theorie abgeleitetete Effekte wie die Rotverschiebung gefunden.
  
  
• Durch neue experimentelle Ergebnisse kann eine Theorie verworfen werden (Beispiel: Äthertheorie), sich die Notwendigkeit ihrer Modifizierung ergeben (meist in der Entwicklungsphase einer Theorie) oder auch als Spezialfall in einer umfassenderen Theorie aufgehen (Beispiel: newtonsche Mechanik als Teil der speziellen Relativitätstheorie EINSTEINs.

Beispiele für physikalische Theorien
In der Physik gibt es zahlreiche Theorien, von denen als Beispiele nur die folgenden genannt seien:

• newtonsche Mechanik mit den newtonschen Gesetzen als dem entscheidenden Gerüst,
  
• kinetische Gastheorie (Theorie des idealen Gases),
  
• Elektronentheorie zur Erklärung des Leitvermögens von Stoffen,
  
• spezielle Relativitätstheorie und allgemeine Relativitätstheorie (einsteinsche Gravitationstheorie),
  
• maxwellsche Theorie elektromagnetischer Felder,
  
• Quantentheorie,
  
• Theorie der Halbleiter.

Ein Beispiel: Die spezielle Relativitätstheorie

Als Beispiel für eine Theorie sei die 1905 von ALBERT EINSTEIN (1879-1955) veröffentlichte spezielle Relativitätstheorie genannt. EINSTEIN geht bei seiner Theorie von zwei Postulaten aus, die sehr einfach erscheinen, aber Kernpunkte des bis dahin allgemein anerkannten physikalischen Weltbildes berühren.

Postulat 1: Alle Inertialsysteme sind bezüglich physikalischer Gesetze gleichberechtigt. Die fundamentalen Gesetze gelten in jedem dieser Systeme in gleicher Weise.

Postulat 2: Die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum ist in allen Inertialsystemen stets gleich groß. Sie ist unabhängig vom Bewegungszustand der Lichtquelle und des Beobachters bei der Messung.

Aus diesen beiden Postulaten leitete EINSTEIN zahlreiche Folgerungen ab, u.a. über die Zusammensetzung von Geschwindigkeiten, über die Länge von Körpern in unterschiedlichen Bezugssystemen oder über die Zeitmessung in verschiedenen Systemen. Alle diese Folgerungen sind inzwischen im Rahmen der Messgenauigkeit experimentell bestätigt.
Die newtonsche Theorie, die bis dahin die allgemein anerkannte Theorie war, erwies sich durch die neue Theorie keineswegs als falsch. Sie ist vielmehr ein Spezialfall der speziellen Relativitätstheorie und gilt bei kleinen Geschwindigkeiten mit völlig ausreichender Genauigkeit.
EINSTEIN selbst hat seine spezielle Relativitätstheorie zur allgemeinen Relativitätstheorie erweitert, die ihrerseits auch die spezielle Relativitätstheorie mit umfasst.