1. Grundlagen
1.1. Naturwissenschaften
Das täglich zu beobachtende Geschehen in der Natur folgt bestimmten Gesetzten, den Naturgesetzen. Die diesen Gesetzen folgenden Naturvorgänge greifen vielfältig in das menschliche Leben ein. Beispiele hierfür sind der Wechsel zwischen Tag und Nacht oder Sommer und Winter, die Umwandlungen der Energieformen Wärme, elektrische und mechanische Energie ineinander, oder das Phänomen der Erdanziehung.
Die Stoffe in der Natur unterliegen einem stetigen Wandel. Dabei sind oft Vorgänge zu beobachten, die einen <<Kreisprozeß>> darstellen. Die Natur schafft sich dadurch ein Gleichgewicht, das immer wieder neu eingestellt wird. Zwei Beispiele zeigen dieses deutlich:
Das Wasser der Weltmeere kann verdunsten und Wolken bilden. Diese ziehen landeinwärts und können in Regen übergehen. Das Wasser gelangt so auf die Erdoberfläche. Ein Teil dieses Wassers wird zur Aufrechterhaltung der Lebensvorgänge von Mensch, Tier und Pflanze verbraucht; der Rest strömt als Flußwasser wieder dem Meer zu.
Die grünen Pflanzen können unter Mithilfe des Sonnenlichtes aus Wasser, das sie dem Erdboden entziehen, und dem Kohlendioxid der Luft neue Blattsubstanz (Cellulose) aufbauen. Dabei wird Sauerstoff frei. Die Pflanzen dienen Mensch und Tier als Nahrung, die unter Mitwirkung des durch die Atmung aufgenommenen Sauerstoffs verbrannt wird und dadurch die Energie zur Aufrechterhaltung der Lebensvorgänge liefert. Bei der Verbrennung wird Kohlendioxid abgegeben. Der Kreislauf kann damit von neuem beginnen.
Jeder Naturvorgang hat seine Ursache, und von ihm geht eine bestimmte Wirkung aus. Die Naturvorgänge zu beobachten und zu erfassen, ihre Gesetze zu verstehen und zu begründen und die gewonnenen Erkenntnisse für den Menschen nutzbar zu machen, ist die Aufgabe der Naturwissenschaften.
Die systematische Untersuchung eines Vorganges durch Beobachtungen oder Experimente führt zu einem Gesetz - gewöhnlich in der Form einer Mathematischen Formel - das den Vorgang eindeutig erfaßt und wiedergibt. Ein Gesetz, aus Beobachtung und Experiment abgeleitet, gibt eine Beschreibung und Darstellung des Vorganges, aber keine Deutung oder Begründung. Um ein Gesetz zu begründen und zu verstehen, wird eine Hypothese aufgestellt; darunter versteht man eine allgemeine Annahme. Lässt sich eine solche Annahme durch mehrere, unabhängige Experimente bestätigen und kann man daraus Schlussfolgerungen ableiten, die nicht im Gegensatz zu anderen Beobachtungen und Experimenten stehen, gewinnt die Hypothese an Sicherheit und Wahrscheinlichkeit und wird zur Theorie. Eine leistungsfähige Theorie sollte zahlreiche Ergebnisse des gleichen Vorganges und verwandter Vorgänge miteinander verbinden und für deren Erklärung eine gemeinsame Grundlage darstellen. Hypothesen müssen oft abgewandelt oder sogar aufgegeben werden, wenn Widersprüche auftreten. Auch Theorien, denen bereits eine größere Sicherheit zukommt, müssen bisweilen verlassen werden, wenn im Laufe der Zeit widersprüchliche Ergebnisse bekannt werden.
Die Vielzahl der Naturvorgänge und -gesetze hat eine Aufteilung der Naturwissenschaften in einzelne Bereiche notwendig gemacht: Biologie, Astronomie, Geologie, Physik, Chemie und andere.
1.2 Physik und Chemie
Durch Naturgesetze sind auch die möglichen Umwandlungen und Veränderungen der Stoffe, aus denen alle Dinge und Körper der Natur bestehen, festgelegt. Hiermit beschäftigen sich insbesondere die Physik und die Chemie.
Aus der Vielzahl der bekannten Stoffe sucht der Physiker z.B. einen interessanten Werkstoff heraus und untersucht dessen Härte, Festigkeit und Formbeständigkeit, die optischen und elektrischen Eigenschaften oder das Verhalten beim Erhitzen (Ausdehnung, Schmelzen, Sieden).
Nach diesen Untersuchungen des Werkstoffes kennt man eine Reihe seiner Eigenschaften, seine physikalischen Eigenschaften, da er bei den Prüfungen lediglich seine <<äußeren>> Zustände geändert hat, nicht aber seine stoffliche Beschaffenheit.
Physikalische Vorgänge sind also Änderungen des Zustandes eines Stoffes oder Körpers, wobei der betrachtete Stoff als solcher erhalten bleibt.
