Ein Experiment ist in den Naturwissenschaften ein Verfahren, das durchgeführt wird, um eine Hypothese zu untermauern oder zu widerlegen oder um die Wirksamkeit oder Wahrscheinlichkeit von etwas zu ermitteln, das zuvor nicht erprobt wurde. Experimente geben Aufschluss über Ursache und Wirkung, indem sie zeigen, welches Ergebnis eintritt, wenn ein bestimmter Faktor manipuliert wird.
Experimente in den Fakultäten Physik, Chemie und Biologie sind in Bezug auf Ziel und Umfang sehr unterschiedlich, beruhen aber immer auf einem wiederholbaren Verfahren und einer logischen Analyse der Ergebnisse.
Die Ergebnisse eines Experiments unterliegen der Forderung nach Reproduzierbarkeit – Nachvollzug mit gleichem Ergebnis durch andere Forscher, an anderem Ort, zu anderer Zeit – als ein Kriterium der Glaubwürdigkeit.
Nach Karl Poppers "kritischem Rationalismus" lassen sich (Hypo-)Thesen grundsätzlich nicht beweisen (verifizieren), sondern nur widerlegen (falsifizieren). Widerlegt das Experiment die Hypothese nicht, kann dies als Stützung der Hypothese aufgefasst werden, sofern die Ergebnisse für die Hypothese relevant sind.
Berühmte Experimente
Cavendish-Experiment
Das Cavendish-Experiment, das 1797-1798 von dem englischen Wissenschaftler Henry Cavendish durchgeführt wurde, war das erste Experiment zur Messung der Schwerkraft zwischen Massen im Labor und das erste, das genaue Werte für die Gravitationskonstante lieferte. Aufgrund der damals gebräuchlichen Einheitskonventionen wird die Gravitationskonstante in Cavendishs Arbeit nicht ausdrücklich erwähnt. Stattdessen wurde das Ergebnis ursprünglich als die relative Dichte der Erde ausgedrückt, oder gleichwertig die Masse der Erde. Sein Experiment lieferte die ersten genauen Werte für diese geophysikalischen Konstanten.
Davisson-Germer-Experiment
Das Davisson-Germer-Experiment war ein 1923-1927 von Clinton Davisson und Lester Germer bei Western Electric (später Bell Labs) durchgeführtes Experiment, bei dem Elektronen, die an der Oberfläche eines Nickelkristalls gestreut wurden, ein Beugungsmuster zeigten. Dies bestätigte die von Louis de Broglie 1924 aufgestellte Hypothese des Welle-Teilchen-Dualismus und auch den wellenmechanischen Ansatz der Schrödinger-Gleichung. Es war ein experimenteller Meilenstein in der Entstehung der Quantenmechanik.
Doppelspaltexperiment
Das Doppelspaltexperiment zeigt, dass Licht und Materie sowohl das Verhalten klassischer Teilchen als auch klassischer Wellen aufweisen können.
Diese Mehrdeutigkeit gilt als Beweis für die grundsätzlich probabilistische Natur der Quantenmechanik. Diese Art von Experiment wurde erstmals 1801 von Thomas Young durchgeführt, um das Wellenverhalten von sichtbarem Licht zu demonstrieren.
1927 wiesen Davisson und Germer sowie unabhängig davon George Paget Thomson und sein Forschungsstudent Alexander Reid nach, dass Elektronen das gleiche Verhalten zeigen, was später auf Atome und Moleküle ausgedehnt wurde. Thomas Youngs Lichtexperiment war lange vor der Entwicklung der Quantenmechanik und des Konzepts des Welle-Teilchen-Dualismus Teil der klassischen Physik. Er glaubte, damit den Beweis für die Richtigkeit der Wellentheorie des Lichts von Christiaan Huygens erbracht zu haben.
Drachenexperiment
Das Drachenexperiment ist ein wissenschaftliches Experiment, bei dem ein Drachen, an dessen Spitze ein spitzer, leitfähiger Draht befestigt ist, in der Nähe von Gewitterwolken geflogen wird, um statische Elektrizität aus der Luft zu sammeln und sie über die nasse Drachenschnur auf den Boden zu leiten. Das Experiment wurde erstmals 1752 von Benjamin Franklin vorgeschlagen, der es Berichten zufolge mit der Unterstützung seines Sohnes William durchführte. Der Zweck des Experiments bestand darin, die Natur des Blitzes und der Elektrizität zu erforschen, die noch nicht verstanden wurden. In Kombination mit weiteren Experimenten am Boden zeigte das Drachenexperiment, dass Blitz und Elektrizität das Ergebnis desselben Phänomens sind.
Eddington-Experiment
Das Eddington-Experiment war ein Beobachtungstest der allgemeinen Relativitätstheorie, der von den britischen Astronomen Frank Watson Dyson und Arthur Stanley Eddington im Jahr 1919 organisiert wurde. Die Beobachtungen fanden während der totalen Sonnenfinsternis am 29. Mai 1919 statt und wurden von zwei Expeditionen durchgeführt, von denen eine auf der westafrikanischen Insel Príncipe und die andere in der brasilianischen Stadt Sobral stationiert war.
Ziel der Expeditionen war es, die Ablenkung des Sternenlichts durch die Schwerkraft beim Vorbeiflug an der Sonne zu messen. Der Wert dieser Ablenkung war von Albert Einstein in einem Aufsatz aus dem Jahr 1911 vorhergesagt worden; diese erste Vorhersage erwies sich jedoch als unzutreffend, da sie auf einer unvollständigen allgemeinen Relativitätstheorie beruhte. Später verbesserte Einstein seine Vorhersage, nachdem er seine Theorie 1915 fertiggestellt und die Lösung seiner Gleichungen durch Karl Schwarzschild erhalten hatte. Nach der Rückkehr der Expeditionen wurden die Ergebnisse von Eddington der Royal Society of London vorgelegt und nach einigen Überlegungen akzeptiert. Die Berichterstattung über die Ergebnisse in den Zeitungen führte zu einer weltweiten Bekanntheit Einsteins und seiner Theorien.
Eötvös-Experiment
Das Eötvös-Experiment war ein berühmtes physikalisches Experiment, bei dem die Korrelation zwischen der trägen Masse und der Schwerkraftmasse gemessen wurde, wobei nachgewiesen wurde, dass beide ein und dasselbe sind.
Die ersten Experimente wurden von Isaac Newton (1642-1727) durchgeführt und von Friedrich Wilhelm Bessel (1784-1846) verbessert. Ein sehr viel genaueres Experiment mit einer Torsionswaage wurde von Loránd Eötvös ab etwa 1885 durchgeführt und in einem längeren Durchlauf zwischen 1906 und 1909 weiter verbessert. Eötvös' Team führte daraufhin eine Reihe ähnlicher, aber genauerer Experimente durch, sowie Experimente mit verschiedenen Materialien und an verschiedenen Orten auf der Erde, die alle die gleiche Massengleichheit zeigten.
Diese Experimente wiederum führten zum modernen Verständnis des Äquivalenzprinzips, das in der allgemeinen Relativitätstheorie verschlüsselt ist und besagt, dass die Gravitations- und die Trägheitsmasse gleich sind.
Es reicht aus, wenn die träge Masse proportional zur Gravitationsmasse ist. Jede multiplikative Konstante wird bei der Definition der Krafteinheit berücksichtigt.
Fizeau-Experiment
Als Fizeau-Experiment wird eines der drei denkwürdigen Experimente zur Messung der Lichtgeschwindigkeit bezeichnet. Ohne weitere Präzisierung wird damit das erste bezeichnet, das 1849 von dem französischen Physiker Hippolyte Fizeau durchgeführt wurde und die erste terrestrische Messung der Lichtgeschwindigkeit ergab. Dazu benutzte er sein Gerät, den sogenanntenFizeau-Apparat, und die sogenannte Zahnradmethode.
Laut Albert Einstein war das Fizeau-Experiment wegweisend für die Entwicklung der speziellen Relativitätstheorie.
Foucaultsche Pendel
Das Foucaultsche Pendel ist ein einfaches Gerät, das nach dem französischen Physiker Léon Foucault (1819 - 1868) benannt ist und als Experiment zum Nachweis der Erdrotation konzipiert wurde. Wenn ein langes und schweres Pendel, das von einem hohen Dach über einer kreisförmigen Fläche aufgehängt ist, über einen längeren Zeitraum beobachtet wird, scheint sich seine Schwingungsebene spontan zu ändern, wenn die Erde ihre 24-stündige Drehung vollzieht.
Das Pendel wurde 1851 eingeführt und war das erste Experiment, das einen einfachen und direkten Nachweis der Erdrotation erbrachte. Foucault führte 1852 ein Kreisel-Experiment durch, um die Erdrotation weiter nachzuweisen. Foucaultsche Pendel sind heute beliebte Ausstellungsstücke in Wissenschaftsmuseen und Universitäten.
Franck-Hertz-Experiment
Das Franck-Hertz-Experiment war ein physikalisches Experiment zur Unterstützung des Bohrschen Atommodells, eines Vorläufers der Quantenmechanik. Im Jahr 1914 versuchten die deutschen Physiker James Franck und Gustav Hertz, die Energieniveaus eines Atoms zu untersuchen. Ihre inzwischen berühmten Experimente untermauerten auf elegante Weise das Atommodell von Niels Bohr, in dem sich die Elektronen in Bahnen mit bestimmten diskreten Energien um den Kern bewegen. Für diese Arbeit erhielten Franck und Hertz 1925 den Nobelpreis für Physik.
Die Experimente von Franck und Hertz bestätigten das quantisierte Atommodell von Bohr, indem sie zeigten, dass Atome nur bestimmte Energiemengen (Quanten) aufnehmen können.
Goldfolienexperiment
Die Rutherford-Streuungsexperimente (auch bekannt als das Goldfolienexperiment) waren eine bahnbrechende Reihe von Experimenten, durch die Wissenschaftler herausfanden, dass jedes Atom einen Kern hat, in dem die gesamte positive Ladung und der größte Teil der Masse konzentriert sind. Sie kamen zu diesem Schluss, nachdem sie gemessen hatten, wie ein Alphateilchenstrahl gestreut wird, wenn er auf eine dünne Metallfolie trifft. Die Experimente wurden zwischen 1906 und 1913 von Hans Geiger und Ernest Marsden unter der Leitung von Ernest Rutherford in den physikalischen Laboratorien der Universität von Manchester durchgeführt.
Gravity Probe B
Die Gravity Probe B (GP-B) war ein satellitengestütztes Experiment, mit dem zwei unbestätigte Vorhersagen der allgemeinen Relativitätstheorie getestet werden sollten: der geodätische Effekt und das Frame-Dragging. Zu diesem Zweck sollten winzige Änderungen der Drehrichtung von vier Kreiseln in einem Satelliten in der Erdumlaufbahn in 650 km Höhe direkt über den Polen präzise gemessen werden.
Hafele-Keating-Experiment
Das Hafele-Keating-Experiment war ein Test der Relativitätstheorie. Im Jahr 1971 nahmen der Physiker Joseph C. Hafele und der Astronom Richard E. Keating 4 Cäsium-Atomuhren an Bord von Verkehrsflugzeugen. Sie flogen zweimal um die Welt, zuerst in Richtung Osten, dann in Richtung Westen, und verglichen die bewegten Uhren mit den stationären Uhren des United States Naval Observatory. Als sie wieder zusammengeführt wurden, stellte sich heraus, dass die drei Uhrensätze nicht miteinander übereinstimmten, und dass ihre Unterschiede mit den Vorhersagen der speziellen und allgemeinen Relativitätstheorie übereinstimmten.
Magdeburger Halbkugeln
Bei den Magdeburger Halbkugeln handelt es sich um ein Paar großer Kupferhalbkugeln mit zusammenpassenden Rändern, die in einem berühmten Experiment von 1654 verwendet wurden, um die Kraft des atmosphärischen Drucks zu demonstrieren. Wenn die Ränder mit Fett versiegelt waren und die Luft herausgepumpt wurde, herrschte in der Kugel ein Vakuum und sie konnte von Pferdegespannen nicht auseinandergezogen werden. Sobald das Ventil geöffnet wurde, strömte Luft hinein und die Halbkugeln ließen sich leicht trennen. Die Magdeburger Halbkugeln wurden von dem deutschen Wissenschaftler und Bürgermeister von Magdeburg, Otto von Guericke, erfunden, um die von ihm erfundene Luftpumpe und das Konzept des atmosphärischen Drucks zu demonstrieren.
Das erste künstliche Vakuum war einige Jahre zuvor von Evangelista Torricelli (s.u.) erzeugt worden und inspirierte Guericke zur Konstruktion der ersten Vakuumpumpe der Welt, die aus einem Kolben und einem Zylinder mit Einwegklappenventilen bestand. Die Halbkugeln wurden in Physikvorlesungen zur Veranschaulichung der Kraft des Luftdrucks beliebt und werden auch heute noch im Unterricht verwendet. Die Original-Halbkugeln sind im Deutschen Museum in München ausgestellt.
Michelson-Morley-Experiment
Das Michelson-Morley-Experiment ist ein optisches Experiment, mit dem versucht wurde, die Existenz des Lichtäthers nachzuweisen. Um dies zu erreichen, versuchten Albert Abraham Michelson und Edward Morley, den Unterschied in der Lichtgeschwindigkeit zwischen zwei senkrecht zueinander stehenden Richtungen und in zwei Perioden im Abstand von 6 Monaten (den „entgegengesetzten“ Positionen der Erde auf ihrer Umlaufbahn) nachzuweisen, und kamen zu dem Schluss, dass dieser Unterschied geringer war als mit der Vorrichtung (Interferometer) gemessen werden konnte (der erwartete Effekt war etwa viermal größer als die Genauigkeit des Geräts).
Die Interpretation dieses Ergebnisses führte dazu, dass die Physiker die Existenz des Äthers (von dem man annahm, dass er die Schwingungen einer elektromagnetischen Welle wie dem Licht materiell unterstützt) oder zumindest seine Bewegung in Frage stellten. Es zeigte auch, dass die Lichtgeschwindigkeit bis zur zweiten Ordnung in (v/c), die die Genauigkeit des Experiments darstellte, in allen Richtungen gleich war.
Rømers Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit
Die Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit durch Ole Rømera war 1676 der Beweis dafür, dass das Licht eine endliche Geschwindigkeit hat und sich daher nicht augenblicklich fortbewegt. Die Entdeckung wird allgemein dem dänischen Astronomen Ole Rømera (1644-1710) zugeschrieben, der am Königlichen Observatorium in Paris arbeitete.
Durch die Zeitmessung der Sonnenfinsternisse des Jupitermondes Io schätzte Rømera, dass das Licht etwa 22 Minuten braucht, um eine Strecke zurückzulegen, die dem Durchmesser der Erdumlaufbahn um die Sonne entspricht. Dies würde dem Licht eine Geschwindigkeit von etwa 220.000 Kilometern pro Sekunde geben , was etwa 26 % unter dem tatsächlichen Wert von 299.792,458 km/s liegt.
Rømers Theorie war umstritten, als er sie verkündete, und er konnte den Direktor desPariser Observatoriums, Jean-Dominique Cassini, nie davon überzeugen, sie voll und ganz zu akzeptieren. Allerdings wurde er bald von anderen Physikern wie Christiaan Huygens und Isaac Newton unterstützt . Sie wurde schließlich fast zwei Jahrzehnte nach Rømers Tod durch die Erklärung der stellaren Aberration durch den englischen Astronomen James Bradley im Jahr 1729 bestätigt.
Schiefe Ebene Experiment
Der italienische Wissenschaftler Galileo Galilei ließ Kugeln auf einer schiefen Ebene hinunterrollen. Da der freie Fall im Wesentlichen einer vollständig vertikalen Rampe entspricht, nahm er an, dass eine Kugel, die eine Rampe hinunterrollt, genau so schnell wird wie eine fallende Kugel.
Durch dieses Experiment kam Galileo zu dem Schluss, dass, wenn ein Objekt aus der Ruheposition heraus losgelassen wird und mit gleichmäßiger Geschwindigkeit beschleunigt wird (wie im freien Fall oder beim Herunterrollen auf einer schiefen Ebene), die Gesamtstrecke s, die das Objekt zurücklegt, proportional zur Zeit im Quadrat ist, die für diese Strecke benötigt wird.
Galileis schiefe Ebene war ein Holzbalken von ca. 6,7 m Länge, dessen Oberseite eine halbkreisförmige, mit Pergament bespannte Kerbe aufweist. Das Pergament wird verwendet, um die Reibung einer Kugel zu verringern, die entlang der Kerbe läuft.
Er zeigte auch, dass die Zeit des Falles (Rollen) unabhängig von der Masse ist und widerlegte damit Aristoteles' Theorie der Schwerkraft (die besagt, dass Objekte mit einer Geschwindigkeit fallen, die proportional zu ihrer Masse ist).
Zwischen 1589 und 1592 war Galilei Professor für Mathematik an der Universität Pisa. Ob er tatsächlich Kugeln von unterschiedlichem Gewicht vom schiefen Turm von Pisa fallen ließ, gilt unter Historikern als umstritten.
Stern-Gerlach-Experiment
In der Quantenphysik hat das Stern-Gerlach-Experiment gezeigt, dass die räumliche Ausrichtung des Drehimpulses quantisiert ist. Damit wurde gezeigt, dass ein System auf atomarer Ebene inhärente Quanteneigenschaften besitzt.
Bei dem ursprünglichen Experiment wurden Silberatome durch ein räumlich veränderliches Magnetfeld geschickt, das sie ablenkte, bevor sie auf einen Detektorschirm, z. B. einen Glasobjektträger, trafen. Teilchen mit einem magnetischen Moment ungleich Null wurden aufgrund des Magnetfeldgradienten von einer geraden Bahn abgelenkt. Auf dem Schirm waren keine kontinuierliche Verteilung, sondern diskrete Anhäufungspunkte zu erkennen, was auf ihren quantisierten Spin zurückzuführen ist. Historisch gesehen war dieses Experiment entscheidend für die Überzeugung der Physiker von der Realität der Drehimpulsquantisierung in allen Systemen auf atomarer Ebene.
Nach der Konzeption durch Otto Stern im Jahr 1921 wurde das Experiment erstmals Anfang 1922 mit Walther Gerlach erfolgreich durchgeführt.
Torricelli-Experiment
Das Torricelli-Experiment wurde 1643 in Pisa von dem italienischen Wissenschaftler Evangelista Torricelli (1608-1647) erfunden. Mit seinem Experiment wollte er nachweisen, dass die Quelle des Vakuums der atmosphärische Druck ist.
Das Experiment wurde von Torricelli mit einem mit Quecksilber gefüllten Becken und einem Glasrohr (keine Kapillare) von etwa 1 Meter Länge durchgeführt, das an einem Ende geschlossen und ebenfalls vollständig mit Quecksilber gefüllt war. Wenn man das Rohr mit dem offenen Ende in das Becken einführt, entleert sich das Quecksilber im Rohr nicht vollständig in den Behälter, sondern stoppt in einer Höhe von 760 Millimetern (76 Zentimetern). Dies geschieht, weil das Quecksilber im Becken einem Luftdruck ausgesetzt ist, und da Quecksilber ein inkompressibles Fluid ist, das bei Raumtemperatur flüssig ist, wird in der Quecksilbersäule im Rohr ein nach oben gerichteter Schub gemäß dem Stevino-Gesetz erzeugt. Dann fällt das Quecksilber in der Röhre auf eine Höhe relativ zu einer Höhe des Quecksilbers in der Schale, die wir als Null betrachten.
Anwendung
Ein Kind kann einfache Experimente durchführen, um zu verstehen, wie Dinge zu Boden fallen, während Wissenschaftlerteams jahrelange systematische Untersuchungen durchführen können, um ihr Verständnis eines Phänomens zu verbessern. Experimente und andere praktische Aktivitäten sind für das Lernen der Schüler im naturwissenschaftlichen Unterricht sehr wichtig. Sie können zu besseren Klausuren führen und dazu beitragen, dass sich die Schülerinnen und Schüler mehr für den Lernstoff engagieren und interessieren, vor allem, wenn sie über einen längeren Zeitraum durchgeführt werden.
Experimente können von persönlichen und informellen natürlichen Vergleichen (z. B. Verkostung einer Reihe von Pralinen, um eine Lieblingssorte zu finden) bis hin zu hochgradig kontrollierten Versuchen (z. B. Tests, die komplexe Geräte erfordern und von vielen Wissenschaftlern beaufsichtigt werden, die hoffen, Informationen über subatomare Teilchen zu entdecken) reichen. Die Verwendung von Experimenten ist in den Human- und Naturwissenschaften sehr unterschiedlich.
Gedankenexperimente sind Experimente, die in Gedanken, nicht in Wirklichkeit ausgeführt werden, um im Rahmen einer Theorie zu Erkenntnissen zu gelangen. Zuweilen kann ein Gedankenexperiment später bei verbesserten Versuchsmöglichkeiten als reales Experiment durchgeführt werden.
Kontrollen
Experimente umfassen in der Regel Kontrollen, die dazu dienen, die Auswirkungen anderer Variablen als der einzigen unabhängigen Variablen zu minimieren. Dies erhöht die Zuverlässigkeit der Ergebnisse, oft durch einen Vergleich zwischen Kontrollmessungen und den anderen Messungen. Wissenschaftliche Kontrollen sind ein Teil der wissenschaftlichen Methode. Im Idealfall werden alle Variablen in einem Experiment kontrolliert (durch die Kontrollmessungen berücksichtigt) und keine ist unkontrolliert. Wenn in einem solchen Experiment alle Kontrollen wie erwartet funktionieren, kann man daraus schließen, dass das Experiment wie beabsichtigt funktioniert und dass die Ergebnisse auf die Wirkung der getesteten Variablen zurückzuführen sind.