Gesellschaft und Schule - M a s t e r a r b e i t

5.1 Gesellschaft

Physik und Gesellschaft sind sehr nahe miteinander verbunden. Die Physik braucht die Gesellschaft, sodass Austausch stattfinden kann, Entdeckungen geteilt werden können und natürlich auch um immer wieder daran erinnert zu werden, was das eigentliche Ziel der Forschung ist. Die Gesellschaft braucht die Physik, denn sie ist Teil von allem in der Gesellschaft. Sei es die Entstehung des Universums und der Menschheit, sei es der Aufbau der Materie oder moderne medizinische oder kommunikative Geräte, all das ist Physik. Planck legte 1899 mit seiner Hypothese über die Quantenmechanik den Grundstein für die moderne Technik. Navigation, wie zum Beispiel GPS (Global Positioning System), wären ohne Einsteins Raum-Zeit-Verständnis nicht möglich gewesen. Die Kernphysik beschreibt die Energieerzeugung in Sternen und auch die Gesellschaft zog ihren Nutzen daraus und baute Kernkraftwerke und Kernwaffen. Der Aufbau der Materie war einer der letzten großen Themenbereiche aus dem die Menschheit ebenfalls profitierte, denn aus ihm entwickelten sich unglaublich viele Therapie- und Diagnosemethoden in der Medizin. Man merkt sofort, dass Physikerinnen und Physiker sehr viel Beiträge für die Gesellschaft leisten (Deutsche Physikalische Gesellschaft, Physik in der Gesellschaft – Physik für die Gesellschaft, 2021).

5.1.1 Gegenwart

Die Exaktheit der Quantenelektrodynamik ist bahnbrechend für die Gesellschaft. Auch sehr viele Experimente bestätigten die Theorie, dass die Wahrscheinlichkeit des Eintritts eines Ereignisses durch Kombinieren von Pfeilen berechnet werden kann. Für den Physiker und die Physikerin genügt diese vage Aussage von Kombinieren von Pfeilen, den Mathematikern und die Mathematikerinnen hingegen brachte die Rechenmethode dahinter viel Kopfzerbrechen und die Vervollständigung dauert noch bis heute an (Feynman, 2020, S. 143f.).

Um nun nicht nur in der Vergangenheit zu schwelgen, sollen auch gegenwärtige Thematiken erwähnt werden, in welchen die Quantenelektrodynamik als tragende Figur zur Wirkung kommt: Mobilität, Energieversorgung, Klimawandel, der Schutz unseres Planeten in Hinsicht auf CO2, Radiowellen zur Identifikation von Nachverfolgung,

Smartphone, Laser für die Kommunikation oder medizinische Inhalte wie die Magnetresonanztomographie (Deutsche Physikalische Gesellschaft, Rollups "Physik und Gesellschaft", 2021).

Die Quantenelektrodynamik ist also im Grunde ein unglaublicher Fortschritt für die Menschheit. Sie ist die Grundlage für große Fachgebiete der Physik wie zum Beispiel Wärme, Magnetismus, Elektrizität, Licht, Röntgenstrahlen, ultraviolette Strahlen, Brechung, Reflexion und noch viele mehr. In der QED werden all diese zuvor genannten Gebiete zusammengefasst und können auch damit erklärt werden. Des Weiteren ist die Quantenelektrodynamik in all ihrer Eigenheit den anderen Theorien der Physik gar nicht so unähnlich. Alle Theorien, egal in welchem Bereich der Physik, beschäftigen sich mit der Wechselwirkung zwischen Teilchen mit halbzahligen und ganzzahligen Spin und der Wahrscheinlichkeit des Eintritts eines Ereignisses. Warum sich nun alle Theorien der Physik so gleichen? Offensichtlich gibt es auf diese Frage keine klar definierte Antwort, jedoch können einige Gründe gefunden werden. Einerseits wird die Beschränktheit der Menschen dafür verantwortlich gemacht. Wird nämlich irgendetwas Neues, Unbekanntes gesehen, so versucht man sofort diese Entdeckung in ein altbekanntes Schema zu drücken. So muss man darüber nachdenken, ob all die Dinge vom Menschen nur so gemacht werden, dass sie nach dem gleichen Schema passieren oder ob es tatsächlich so ist, dass die Natur nur einen Weg kennt und sich so die Dinge sehr oft wiederholen. Der dritte Weg, den man auch betrachten muss, ist die Möglichkeit der Vielfalt. Die Menschheit ist seit Anbeginn der Zeit von Heterogenität geprägt. Ein einziges Wort, wie zum Beispiel „Hallo“, gibt es auf der Welt in 6500 – 7000 verschiedenen Sprachen.

Könnten also diese Ähnlichkeiten, die Physiker immer wieder unter verschiedenen Umständen finden, sich als Wörter in verschiedenen Sprachen des ein und desselben Satzes entpuppen? Von solch einer mächtigen Theorie, die alles vereinigt, träumen viele, jedoch ist es bis dahin noch ein weiter Weg (Feynman, 2020, S. 168f.).

5.1.2 Zukunft

5.1.2.1 Grand Unified Theory (GUT) and Theory of Everything (TOE)

Der Gründervater der Grand Unified Theory, auch GUT oder Große Vereinheitliche Theorie genannt, war Albert Einstein. Für ihn war es die wohl letzte Aufgabe seines Lebens den Elektromagnetismus und die Gravitation zu vereinen. Die letzten Jahre seines Lebens verbrachte der große Physiker auch damit nach der „Elektrogravitation“ zu

sein letztes Projekt selbstständig zu beenden. Nachdem aber die elektroschwache Vereinheitlichung, zu der auch die QED zählt, fast gänzlich vollendet ist, so suchen natürlich Wissenschafter schon nach der nächsten Aufgabe. Diese ist die Suche nach der GUT, die die starke Wechselwirkung ebenfalls miteinschließen soll. Oft wird dieses Unterfangen belächelt, da es rein theoretisch zwar möglich ist, jedoch kein einziger Beweis für die Durchführbarkeit existiert. Daher griffen Physikerinnen und Physiker zurück auf Einsteins Theorie. Laut ihm nämlich, könne man die Schwerkraft erst mit dem Elektromagnetismus vereinen, wenn zuvor der Elektromagnetismus mit der schwachen und der starken Wechselwirkung in Einklang gebracht worden ist (Lindley, 1997, S. 9f.).

Die GUT soll also die starke, schwache und elektromagnetische Wechselwirkung vereinen und mithilfe einer gemeinsamen Theorie beschreiben. Die Physikerinnen und Physiker nehmen dabei an, dass diese drei der vier Grundkräfte beim Urknall eine gemeinsame Kraft waren und sich erst danach, während es Abkühlprozesses des Universums, voneinander getrennt und in drei verschiedene Kräfte aufgespalten haben.

Bestätigt wird diese Theorie in der GUT auch dadurch, dass die starke Wechselwirkung bei hohen Energien schwächer wird, die schwache und elektromagnetische Wechselwirkung jedoch bei niedrigen Energien schwächer und bei hohen Energien stärker wird. Ein weiterer Punkt, der berücksichtigt werden muss, ist, dass sowohl Mikrokosmos als auch Makrokosmos erforscht sind. Jedoch ist es der Menschheit nicht möglich, noch weiter in den inneren Aufbau der Materie vorzudringen, als es mit Teilchenbeschleunigern möglich ist und auch der Makrokosmos birgt Probleme. Niemals wird es möglich sein, andere Universen zu sehen oder gar unser eigenes Universum zu einem anderen Zeitpunkt, also in der Vergangenheit oder Zukunft, zu sehen. Dies ist somit das größte Problem der Menschheit: Man erhofft sich etwas zu finden, was nur mit dem Verstand allein erfasst werden kann (Lindley, 1997, S. 231f.).

Noch weiter treiben manch andere Physikerinnen und Physiker ihre Gedankenspiele, wenn sie sagen, eine noch größere, endgültige Theorie würde existieren – die Theory of Everything, TOE oder auch Weltformel genannt. In ihr sollen sich alle physikalischen Theorien vereinen. Sie inkludiert die drei Grundkräfte aus der GUT und zusätzlich noch die Gravitation. Ausgehend von den Erfahrungen der Vergangenheit und Gegenwart lässt sich mit fast 100%iger Sicherheit sagen, dass die endgültige Theorie, die TOE, auf Symmetrieprinzipien beruhen wird. Symmetrien finden sich immer wieder: die

Raumzeitsymmetrie in der Speziellen Relativitätstheorie, die inneren Symmetrien, welche hauptverantwortlich für die übrigen Kräfte des Standardmodells sind, aber auch die Gravitation kann anhand von Symmetrien erläutert werden. Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie nämlich fordert, dass alle Naturgesetze bei allen möglichen Koordinatenänderungen in Raum und Zeit gleichbleiben. Die TOE erwartet, dass diese Symmetrien die Gravitation mit der starken und schwachen Kernkraft und der elektromagnetischen Kraft vereinen werden. Lange war jedoch die Mathematik hinter der Quantentheorie der Gravitation ein großes Rätsel. Dieses Rätsel hat sich jedoch bereits ein wenig gelüftet, denn vor nicht allzu langer Zeit wurde eine neue Basis für die Quantentheorie der Gravitation und aller übrigen Kräfte gelegt – die Stringtheorie (Weinberg, 1995, S. 219f.).

5.1.2.2 Stringtheorie

In der Stringtheorie sind Elementarteilchen nicht klassisch punktförmige Teilchen, sondern sogenannte Strings, die wie die Seiten eines Musikinstruments schwingen können, sie werden als fundamentale Objekte mit eindimensionaler räumlicher Ausdehnung angenommen. Diese Theorie liefert Antworten auf mehrere große Fragen der Physik und wäre genau deshalb, wenn sie tatsächlich so stimmt, eine Errungenschaft in der Größenordnung wie die Entdeckung, dass die Kreise, die die Planeten charakterisieren, sich ihrerseits ebenfalls bewegen. Jedoch hatte die Stringtheorie ebenfalls ihre Nachteile und unbeantwortete Fragen. Zum Beispiel hätte die Welt demnach 25 Dimensionen haben müssen und außerdem hätte man Tachyonen, das sind Teilchen, die sich schneller als das Licht bewegen, nachweisen müssen. Des Weiteren müsste es der Stringtheorie nach Teilchen geben, die nie in Ruhe also masselos sind. Das wohl größte Problem war jedoch, dass es in ihr keine Fermionen und somit Quarks gab.

Pierre Ramond löste zwei dieser drei Probleme durch eine Umformung der String-Gleichung, sodass auch Fermionen berücksichtigt wurden. Infolgedessen erkannte der theoretische Physiker, dass die Theorie nur widerspruchsfrei war, wenn eine bestimmte Symmetrie vorliegt. In dieser waren fortan sowohl Fermionen als auch Bosonen vertreten und man gab ihr den Namen Supersymmetrie. Diese verringerte die Dimensionen des Raumes und der Zeit auf 10 und auch die Tachyonen fielen weg (Smolin, 2009, S. 151f.).

Das letzte Rätsel, die Existenz der masselosen Teilchen, wurde recht einfach gelöst, indem einfach Teilchen gefunden wurden, deren Eigenschaften so sind. Hier wären zum

mit der Annahme der Gravitonen als vorausgesagte Teilchen änderte sich alles. Aus der Stringtheorie wurde plötzlich eine fundamentale Theorie, denn sie vereinte die Gravitation mit den anderen drei Grundkräften, was bisher als nahezu unmöglich schien (Gubser, 2010, S. 49f.).

Die Stringtheorie liefert der Menschheit folgende beeindruckende Fakten:

• Eine automatische Vereinheitlichung aller Elementarteilchen und Kräfte, denn alle ergeben sich aus den Schwingungen der Strings.

• Eichfelder, die für die elektromagnetische und starke Wechselwirkung zuständig sind. Diese entstehen ebenfalls aus Schwingungen der offenen Strings.

• Gravitonen müssen existieren, denn sie ergeben sich aus den Schwingungen geschlossener Strings, auch Schleifen genannt. Dies wird dadurch begründet, dass jede Quantentheorie der Strings auch geschlossene Strings beinhalten muss und infolgedessen kam es zu einer automatischen Vereinheitlichung der Gravitation, der elektromagnetischen, der schwachen und der starken Wechselwirkung.

• Die weiterentwickelte supersymmetrische Stringtheorie vereinheitlicht außerdem Fermionen und Bosonen und damit sind alle Teilchen mit allen Kräften vereinigt (ebd., S. 167).

Mit fortlaufender Zeit jedoch, musste man irgendwann akzeptieren, dass es bis jetzt keine vollständige Formulierung der Stringtheorie gibt. Physikerinnen und Physiker hatten unzählige Theorien entworfen, jedoch alle abhängig von freien Konstanten und somit gab es keine eindeutige Vorstellung, welche nun tatsächlich der Realität entspreche und ob diese Theorie der Strings tatsächlich richtig oder falsch ist. Am schlimmsten für alle war jedoch die Tatsache, dass es kein einziges Experiment gab, dass ansatzweise Aufschluss bringen konnte (ebd., S. 185f.).

5.1.2.3 Supergravitation

Ein weiterer zukünftiger Schritt für die Menschheit könnte die Supergravitation sein.

Diese beinhaltet nicht nur die starke, schwache, elektromagnetische Wechselwirkung und die Allgemeine Relativitätstheorie, also Gravitation, sondern sie erweitert diese sogar.

Der markante Unterschied der Erweiterung der Allgemeinen Relativitätstheorie Einsteins

Nimmt man an, dass die Supersymmetrie gilt, also Fermionen und Bosonen symmetrisch verbunden sind, und lässt man ein Graviton mit Spin 2 in diesem System in eine Rotation, so entsteht der Theorie nach, ein völlig neues Teilchen mit Spin 3/2, welches Gravitino genannt wird. Dieses hypothetische Teilchen wäre den Voraussagen nach in acht verschiedenen Arten anzufinden und gemeinsam mit dem Graviton die Träger der Supergravitation. Natürlich ist dies noch alles rein hypothetisch, jedoch sind auch hochrangige Physiker wie zum Beispiel der vor erst kurzer Zeit verstorbene theoretische Physiker Stephen Hawking der Meinung, dass mit den Versprechen der Supergravitation ein Ende der theoretischen Physik in Sicht sei (Davies & Brown, 1989, S. 81f.).

5.2 Schule 5.2.1 Allgemein

Was ist Physik eigentlich? Ist Physik nicht eine Wissenschaft, die man als unwichtigen Teil der Gesellschaft vernachlässigen kann? Muss man Physik können? Was kann man mit Physik machen und wozu braucht man Physik?

Physik ist, einer alten Definition nach, eine Wissenschaft, die das Verhalten der unbelebten Natur beschreibt, insofern es zu keinen stofflichen Veränderungen kommt.

Diese Definition ist jedoch nicht mehr zeitgemäß, denn Physik hat einen wesentlichen Anteil am Leben aller Menschen. Ob es nun die Chemie, Biophysik, Neurophysik oder Technische Mechanik ist, die aus der Physik entstanden ist, man erkennt sehr schnell, dass man Physik nicht einfach so als abstrakte Wissenschaft abstempeln kann. Sehr ähnlich ist es auch mit der Physik im Unterricht. Lehrt man den Schülerinnen und Schülern traditionell definierte Fachinhalte oder stößt man tiefer in die Materie ein und spricht zum Beispiel beim Thema Akustik auch von potenziellen Schädigungen des Gehörs durch laute Discomusik? Um die oben genannten Fragen nun auch kurz zu beantworten, lassen sich folgende Aussagen über die Physik treffen. Physik ist, wie man es erwarten kann, vorläufig, denn immer wieder ändert sich etwas. Eine Theorie wird aufgestellt, durch Experimente bewiesen und kann dennoch Jahrzehnte später ausgebessert oder ausgebaut werden. Offensichtlich beruhen sehr viele physikalische Inhalte auf Beobachtungen und empirisch ermittelten Daten. Die Quantenelektrodynamik zum Beispiel ist ein Musterbeispiel, denn in ihr treffen theoretisch ermittelte Werte perfekt mit experimentell beobachteten Daten überein. Wichtig ist für jedermann auch, dass man den Unterschied zwischen Theorie und Gesetz kennt und auch beim kritischen

Hinterfragen von Inhalten anwendet. Außerdem ist die Physik nicht plötzlich erschienen, sondern sie wächst und hat eine historische Entwicklung hinter sich, die auch mit evolutionären Phasen übereinstimmt. Am Ende lässt sich sagen, dass Physik Teil der sozialen und auch kulturellen Gesellschaft ist. Physik wird von der Gesellschaft beeinflusst und auch die Physik beeinflusst die Gesellschaft. Das wird immer so sein, wichtig ist nur, dass dies der Menschheit auch deutlich gemacht wird, denn nur dann wird sich das Bild der Physik in der Gesellschaft und vor allem in der Schule ändern (Hopf, Schecker, & Wiesner, 2015, S. 9f.).

Richard David Precht schreibt in seinem Werk „Anna, die Schule und der liebe Gott“

(Precht, 2015, S. 9f.) über genau diese Thematik. Zwar nicht speziell über den Physikunterricht und die Auswirkung auf die Gesellschaft, jedoch schreibt er über ein sehr allgemeines Problem, welches tatsächlich zum Nachdenken anstößt. Große Physikerinnen und Physiker sind stets Menschen mit hoher Intelligenz. Aber nicht nur Intelligenz spielt für Entdeckungen wie die Relativitätstheorie oder die Maxwell‘schen Gleichungen eine Rolle, sondern auch Kreativität. Precht vertritt die Meinung, dass die Kinder, die heutzutage eingeschult werden, Wissen vermittelt bekommen, welches sie für ihr Leben kaum brauchen werden und deshalb auch sofort wieder vergessen. Man muss ihnen anstatt veraltetem Wissen eintrichtern, helfen Kreativität, Neugier, Teamgeist und noch viele andere Fähigkeiten zu entwickeln. Ziel als Lehrperson sollte es immer sein, nicht langweilige kochbuchrezeptartige Abhandlungen einzutrichtern, sondern aktive, kreative Wundertüten zu formen. Kinder und Jugendliche sollten nur so vor Tatendrang sprießen, was aber leider oft nicht der Fall ist. Dies hat dann wiederum Auswirkungen auf die Gesellschaft, denn das Bild der Physik und der tatsächliche Mehrwert wird so niemals erkannt werden.

Ein weiteres Problem ist es, dass der Transfer zwischen Wissenschaft und Praxis, also Schule, ein langwieriger Prozess ist. Man denke nur an die eigene Schulzeit, hat man jemals aktuelle wissenschaftliche Inhalte vermittelt bekommen? 2012 wurde zum Beispiel das Higgs Boson entdeckt. Liest man heute davon in Schulbüchern? Vergebens.

Es ist wirtschaftlich gesehen völlig logisch, dass nicht jedes Jahr neue Schulbücher mit neuen Inhalten erscheinen können und natürlich müssen auch für das Grundwissen essenzielle Inhalte im Unterricht bearbeitet werden. Jedoch würden aktuelle Inhalte den Unterricht um so vieles interessanter und wichtiger für Schülerinnen und Schüler machen.

Wie können nun aktuelle Inhalte in den Unterricht miteinfließen ohne dass man den Lehrplan völlig verwirft?

Lehrerinnen und Lehrer müssen von ihrem alten Muster des Frontalunterrichts abweichen, sich auf neue Methoden und ein anderes zeitgemäßes Zusammenleben in der Schule einlassen. Die Gesellschaft braucht nicht noch mehr Bildungsreformen und Anpassungen des Lehrplans. Richard David Precht schreibt es in seinem Werk klar und deutlich: Wir brauchen eine Bildungsrevolution! Der Meinung der Bildungsforscherin der Duke University in Durham Cathy N. Davidson nach, werden 65% unserer Kinder in Berufen arbeiten, die es heute noch gar nicht gibt. Sie vergleicht dies mit Kindern aus den 1960er und 1979er Jahren. Damals hätte sich die Gesellschaft auch nicht vorstellen können, was Gentechnik, Influencer, iPhones oder soziale Netzwerke sind. Sehr ähnlich oder extremer wird es laut ihr womöglich der Generation nach uns geschehen. Demnach ist es von höchster Priorität den Schülerinnen und Schülern Inhalte so zu vermitteln, dass ihre Kreativität, ihr Interesse oder ihre Originalität entwickelt und gefördert werden. Und genau dies ist wiederum nur möglich, wenn Unterricht zeitgemäß und interessant von Lehrpersonen gestaltet wird, indem sie verschiedene Methoden verwenden, aktuelle wissenschaftliche Themen einbauen und Kinder nicht mehr Inhalte lernen müssen, die absolut irrelevant und nicht mehr zeitgerecht für das gesellschaftliche Leben sind (Precht, 2015, S. 165f. ).

5.2.2 Sprache

Wie bereits im vorausgehenden Kapitel beschrieben, hat Physik und besonders der Physikunterricht in der Schule die Aufgabe den Lernenden ein Verständnis zu vermitteln, wie in der Physik Erkenntnisse gewonnen werden, was zentrale Elemente physikalischen Denkens sind und wie diese Erkenntnisse in der Realität Anwendung finden.

Gleichbedeutend ist die obige Begriffserklärung mit „Scientific Literacy“. Scientific Literacy beinhaltet den allgemeinbildenden schulischen Hintergrund, als auch Methodenvielfalt, sowie auch die Vermittlung von berufsrelevanten Qualifikationen (Hopf, Schecker, & Wiesner, 2015).

Um guten Physikunterricht nach den oben genannten Kriterien und Maßstäben vollziehen zu können, muss auf einen besonders wichtigen Aspekt, nämlich den Aspekt der Sprache, geachtet werden. Dieser wird oft außer Acht gelassen oder gar als Voraussetzung

Lernen ist. Man muss also als Lehrperson einen Weg finden, auf welchem man die Schülerinnen und Schüler von der Alltagssprache zur Unterrichtssprache hin zur Fachsprache bringen kann. Dieser Weg ist definitiv kein gerader, sondern ein steiniger mit vielen Kurven, jedoch ist dies essenziell für guten Physikunterricht und eine gute Ausbildung der nächsten Generation. Sprache muss immer adressatengerecht verwendet werden. Alltagssprache zum Beispiel ist emotional, subjektiv und immer an einen bestimmten Kontext gebunden. Fachsprache hingegen ist objektiv, kalt, enthält verbindliche Definitionen, ist außerdem kontextunabhängig und formalisiert. Die Unterrichtssprache ist der Median der beiden zuvor genannten Sprachen, sie ist eine Mischform. Unterrichtssprache muss besonders adressatengerecht verwendet werden, wenn sie verstanden werden soll. Sie muss auf das Sprachniveau und auf die Vorstellungen des Publikums abgestimmt werden. Unterricht darf und soll nicht in Fachsprache gehalten werden (Labudde, 2013, S. 73f.).

Ein weiterer wichtiger Aspekt, der in den Kontext Sprache fällt, sind Fachwörter, die im Physikunterricht zu Unmengen vorkommen. Fachwörter müssen von den Schülerinnen und Schülern einfach gelernt werden, Begriffe hingegen sollen aus Vorstellungen von den Lernenden gebildet werden. Fachwörter allein haben keine wirkliche Bedeutung, erst durch den Begriff kommt die für den Lernprozess wichtige Vorstellung und Bedeutung hinzu. Um dies zu erreichen, muss von der Lehrperson während des Unterrichts immer genau und sprachlich korrekt argumentiert werden. Auch Skizzen können dabei für Schülerinnen und Schüler sehr hilfreich sein. Werden nämlich sehr viele Assoziationen und Beispiele gesucht, kann der Begriff genau auf eine Thematik eingegrenzt und gelernt werden. Genau durch diesen Prozess erhalten Fachwörter ihre Bedeutung und können anschließend im Unterricht oder im Privatleben als Begriffe für Erklärungen verwendet werden (Leisen, 1998).

Der letzte Punkt im Bereich Sprache, der noch behandelt wird, ist das Fachvokabular. Im Physikunterricht finden sehr viele Gegenstände und Materialien Verwendung, die den Schülerinnen und Schülern völlig unbekannt sind. Sehr kritisch zu betrachten sind aber

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