Die Wissenschaft ist ein systematisches Unterfangen, das Wissen in Form von überprüfbaren Erklärungen und Vorhersagen über das Universum aufbaut und organisiert. Theorien in der Wissenschaft sind umfassende Erklärungen eines Aspekts der Natur, die durch eine große Menge an Beweisen gestützt werden. Sie sind keine bloßen Spekulationen, sondern tiefe Einblicke in die Funktionsweise der Welt, die durch strenge Tests und Experimente bestätigt werden. In dieser Lektion werden wichtige wissenschaftliche Theorien untersucht, die das Rückgrat unseres Verständnisses des Universums bilden.
Die Evolutionstheorie durch natürliche Selektion, die erstmals von Charles Darwin formuliert wurde, erklärt, wie sich Arten im Laufe der Zeit durch zufällige Mutation und Selektion entwickeln. Sie besagt, dass Individuen mit Merkmalen, die ihr Überleben und ihre Fortpflanzung verbessern, diese Merkmale mit größerer Wahrscheinlichkeit an die nächste Generation weitergeben. Im Laufe der Zeit kann dies zu erheblichen Veränderungen der Arten führen und zur Vielfalt des Lebens führen, die wir heute sehen.
Ein klassisches Beispiel für die natürliche Selektion in Aktion sind die Birkenspanner in Großbritannien. Vor der industriellen Revolution waren die meisten Birkenspanner hell gefärbt, was sie vor flechtenbedeckten Bäumen tarnte und vor Fressfeinden schützte. Während der industriellen Revolution tötete die Umweltverschmutzung die Flechten und verdunkelte die Bäume durch Ruß. Motten mit dunklerer Farbe hatten nun einen Überlebensvorteil und im Laufe der Zeit verlagerte sich die Population von hellen zu dunklen Motten. Diese Veränderung war eine direkte Folge der natürlichen Selektion, die durch Umweltveränderungen ausgelöst wurde.
Die Urknalltheorie ist die führende Erklärung für die Entstehung des Universums. Sie geht davon aus, dass sich das Universum einst in einem extrem heißen und dichten Zustand befand, der sich rasch ausdehnte. Diese Ausdehnung dauerte über Milliarden von Jahren an und formte das Universum, wie wir es heute kennen. Ein Beweisstück, das diese Theorie stützt, ist die kosmische Mikrowellen-Hintergrundstrahlung, das Nachglühen des Urknalls, das in allen Himmelsrichtungen nachgewiesen werden kann und darauf schließen lässt, dass sich das Universum aus einem sehr heißen und dichten Zustand heraus ausdehnte.
Sir Isaac Newton formulierte drei Bewegungsgesetze, die die Beziehung zwischen einem Körper und den auf ihn einwirkenden Kräften sowie seine Bewegung als Reaktion auf diese Kräfte beschreiben. Diese Gesetze waren ein Eckpfeiler in der Entwicklung der klassischen Physik.
Albert Einsteins Relativitätstheorie besteht aus zwei Teilen: der speziellen Relativitätstheorie und der allgemeinen Relativitätstheorie. Die spezielle Relativitätstheorie führte die Idee ein, dass die Gesetze der Physik für alle nicht beschleunigenden Beobachter gleich sind, und sie zeigte, dass die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum unabhängig von der Geschwindigkeit, mit der sich ein Beobachter bewegt, gleich ist. Die allgemeine Relativitätstheorie hingegen verallgemeinert dies dahingehend, dass die Schwerkraft als Eigenschaft von Raum und Zeit oder Raumzeit und nicht als Kraft betrachtet wird, die über eine Distanz wirkt.
Eine der bekanntesten Gleichungen dieser Theorie ist \( E = mc^2 \) , die die Äquivalenz von Masse und Energie zeigt. Diese Gleichung bedeutet, dass eine kleine Menge Masse in eine große Menge Energie umgewandelt werden kann, was die starke Leistung von Kernreaktionen und Sternen, einschließlich unserer Sonne, erklärt.
Die Quantenmechanik ist eine grundlegende Theorie der Physik, die die physikalischen Eigenschaften der Natur auf der Ebene von Atomen und subatomaren Teilchen beschreibt. Eines der wichtigsten Prinzipien der Quantenmechanik ist das Unschärfeprinzip, das besagt, dass wir nicht gleichzeitig die Position und den Impuls eines Teilchens genau kennen können. Dieses Prinzip stellt die klassische Idee des Determinismus in Frage und führt das Konzept der Wahrscheinlichkeit in das grundlegende Verständnis der physikalischen Realität ein.
Ein Experiment, das Quanteneffekte demonstriert, ist das Doppelspaltexperiment. Es zeigt, dass Licht und Materie sowohl Eigenschaften klassisch definierter Wellen als auch von Teilchen aufweisen können, ein Phänomen, das als Welle-Teilchen-Dualität bekannt ist. Wenn Elektronen durch einen Doppelspalt auf einen Schirm geschossen werden, erzeugen sie ein für Wellen typisches Interferenzmuster, nicht das, was man erwarten würde, wenn es sich bloß um Teilchen handeln würde.
Die Keimtheorie geht davon aus, dass Mikroorganismen, die als Krankheitserreger oder „Keime“ bezeichnet werden, Krankheiten verursachen können. Diese Theorie wurde Mitte des 19. Jahrhunderts von Wissenschaftlern wie Louis Pasteur und Robert Koch entwickelt, die entdeckten, dass Mikroorganismen Gärung bzw. Krankheiten verursachen. Die Keimtheorie hat zu erheblichen Fortschritten in der öffentlichen Gesundheit, Hygiene und der Behandlung von Krankheiten durch Impfungen und Antibiotika geführt.
Wissenschaftliche Theorien bieten einen Rahmen für das Verständnis der natürlichen Welt. Sie basieren auf empirischen Beweisen und unterliegen einer Überarbeitung, wenn neue Erkenntnisse verfügbar werden. Die in dieser Lektion besprochenen Theorien bilden einige der grundlegenden Konzepte, die das moderne wissenschaftliche Denken geprägt haben.
