Wissenschaftliche Hypothese

Warum ist der Himmel blau? Um eine solche Fragestellung wissenschaftlich beantworten zu können, müssen zunächst Hypothesen gebildet werden. Eine mögliche Hypothese würde dabei folgendermaßen lauten:

“Die kürzere Wellenlänge des blauen Lichts wird an den Bestandteilen der Atmosphäre (Stickstoff, Sauerstoff, Argon etc.) häufiger gebrochen, als die längere Wellenlänge des roten und grünen Lichts.”

Somit wird die Basis einer jeden wissenschaftlichen Forschung durch Hypothesen und deren Prüfung gebildet. Hypothesen werden vor Untersuchungen aufgestellt und verleihen der systematischen Planung der Untersuchungen, sowie dem Auswerten der Daten eine gewisse Struktur. Sie basieren auf der Forschungsfrage und verdeutlichen welche Ergebnisse vor Bearbeitung der Frage erwartet werden.

Das Wort Hypothese stammt von dem griechischen Wort Hypóthesis ab, das soviel wie Unterstellung bedeutet. Im Gegensatz zu einer wissenschaftlichen Fragestellung ist eine wissenschaftliche Hypothese eine Behauptung oder Vermutung, deren Richtigkeit noch nicht bewiesen worden ist.

Voraussetzungen wissenschaftlicher Hypothesen

Bei der Formulierung einer wissenschaftlichen Hypothese gibt es einige Voraussetzungen, die erfüllt werden müssen.
Zunächst muss eine Hypothese empirisch prüfbar sein. Das heißt, dass sie real existierende und beobachtbare Sachverhalte darstellt und keine subjektiven Meinungen enthält. Die dargestellten Sachverhalte müssen also messbar sein.
Ebenso darf eine Hypothese keinen Einzelfall beschreiben, sondern muss immer für einen bestimmten Bereich allgemein gültig sein. Sie weist somit eine gewisse Generalisierbarkeit auf.
Außerdem ist bei einer Hypothese immer ein erwartetes Ereignis an eine Bedingung geknüpft. Bei der Formulierung solltest du also immer auf einen sinnvollen Konditionalsatz achten (Wenn…, dann…/Je…, desto…).
Zuletzt spielt die Falsifizierbarkeit einer wissenschaftlichen Hypothese eine sehr große Rolle. Eine Hypothese muss immer potentiell widerlegbar sein. Man kann also bei einer Hypothese nicht etwas behaupten, das nicht widerlegt werden kann. Gleichzeitig kann aber eine Hypothese nie vollständig bewiesen werden, da man nicht sicher wissen kann, dass eine Hypothese wahr ist und immer gültig ist. Eine Hypothese ist dann falsifiziert, sobald ein untersuchter Fall dagegenspricht.

Hypothesenbildung

In den Naturwissenschaften und somit auch in den Geowissenschaften erfolgt die Hypothesenbildung in der Regel aus der Deduktion. Das bedeutet, dass Sachverhalte in der Natur beobachtet werden und anschließend daraus Hypothesen gebildet werden, um diese Sachverhalte erklären zu können.

Die Hypothesenbildung in den Geisteswissenschaften dagegen erfolgt vor allem durch eine bestimmte Annahme, die einem statistischen Test unterworfen werden kann. Dabei richtet sich die Annahme meistens auf einen Zusammenhang oder Unterschied zwischen zwei Gruppen. In den Geisteswissenschaften wird nicht wie in den Naturwissenschaften versucht natürliche Phänomene zu erklären, sondern es gilt diejenigen Phänomene zu betrachten, die sich aus dem Wirken des Menschen als geistvoll handelndes Wesen ergeben.

Auch Forschungsarbeiten zu einem verwandten Thema können bei der Aufstellung von Hypothesen helfen. Dabei werden die Ergebnisse dieser Arbeiten auf den eigenen Sachverhalt übertragen. Es wird somit angenommen, dass die Ergebnisse der bisherigen Forschung aufgrund ihrer thematischen Nähe auf das eigene Thema übertragbar sind. Nachdem man sich durch Literaturrecherche genügend Wissen über ein Thema angeeignet hat, können eventuelle “Wissenslücken” in bestimmten Forschungsarbeiten identifiziert werden und anschließend zur Bildung neuer Hypothesen führen.

Wie kann ich meine Arbeit methodisch designen, um eine testbare Hypothese aufzustellen?

Die allgemeine naturwissenschaftliche Methode zum Prüfen und Erstellen von Hypothesen lässt sich in mehrere Schritte unterteilen. Allerdings ist es nicht zwingend notwendig, vor allem in den Geowissenschaften, alle Schritte in dieser Reihenfolge durchzuführen. Manchmal sind gewisse Schritte nicht notwendig bzw. nicht möglich durchzuführen.

1. Zuerst muss ein natürliches Phänomen, dass man erklären oder beschreiben will, ausgewählt und definiert werden.

2. Danach werden Informationen und Daten gesammelt. Dabei kann zunächst in vorhandener Literatur recherchiert werden, was bereits zu einem bestimmten Thema bekannt ist und welche Phänomene/Fragen noch nicht geklärt wurden. Je nachdem was notwendig ist zur Entwicklung der eigenen Hypothese können beispielsweise Proben (Gestein, Boden, etc.) gesammelt werden, Messungen oder Beobachtungen im Gelände und/oder mit dem Mikroskop durchgeführt werden. Ebenso können, sofern möglich, Experimente unter kontrollierten Bedingungen im Labor durchgeführt werden. Dabei ist jedoch vor allem in den Geowissenschaften darauf zu achten, dass in der Natur meist viel mehr Parameter an Prozessen beteiligt sind, die im Labor nicht oder nur sehr schwer nachzubilden sind. Meistens werden bestimmte Parameter eines Materials oder einer Situation über eine Kombination aus Analytik und Experimenten herausgefunden und zusammengetragen. Dabei kann es sich beispielsweise um petrochemische/-physikalische oder geophysikalische Analysemethoden handeln.

3. Nach der Datensammlung soll auf Muster, Trends oder Gemeinsamkeiten geachtet werden. Findet man gewisse Muster im Datensatz kann man versuchen diese durch eine Hypothese zu erklären. Dies ist der Schritt der Induktion. Laut der „method of multiple working hypotheses“ (Chamberlin, 1890) ist es oft hilfreich mehrere Hypothesen aufzustellen, die gleichzeitig getestet werden können. Werden die Hypothesen so aufgestellt, sodass sie alle Möglichkeiten abdecken, dann kann nur eine bzw. muss eine davon wahr sein.

4. Durch die Ansammlung von mehreren Daten kann die Hypothese dann getestet werden. Dies ist der Schritt der Deduktion. Wichtig ist dabei zu beobachten, ob sich gewisse Muster oder Trends weiterentwickeln. Wenn dies nicht der Fall ist, dann muss die Hypothese überarbeitet werden, beziehungsweise neu aufgestellt werden, bis diese nicht mehr falsifiziert wird. Beziehungsweise kann dann eine von mehreren Hypothesen abgelehnt werden. Dabei dürfen auf keinen Fall Daten rausgenommen werden oder einzeln gewählt werden, um das Ergebnis „zu verschönern“.

5. Sobald die Hypothese durch Experimente oder Tests mehrfach verifiziert wurde und als beste Erklärung für ein bestimmtes Phänomen gilt, wird diese zur Theorie. Eine Theorie ist dabei ebenso widerlegbar.

Arten von wissenschaftlichen Hypothesen

Nullhypothese

Bei der Nullhypothese besteht zwischen Variablen, die Gegenstand der Forschung sind, keine Beziehung. Deswegen wird sie auch oft als „keine Beziehungshypothese“ bezeichnet. Hierbei folgen untersuchte Variablen keinem bestimmten Muster. Generell wird immer versucht die Nullhypothese mit der Arbeitshypothese oder Alternativen Hypothesen zu widerlegen. Das heißt, sie wird akzeptiert, wenn Arbeitshypothese und Alternative Hypothesen nicht gültig sind.

Beispiel: „Die Kohlenstoffwerte von Probe X und Probe Y weichen nicht signifikant (5%) voneinander ab.“

Arbeitshypothese

Arbeitshypothesen sind Hypothesen, die durch wissenschaftliche Forschung demonstriert und durch wissenschaftliche Methoden verifiziert oder widerlegt werden. In der Regel stammen Arbeitshypothesen aus der Deduktion. Dies bedeutet, dass Forscher auf der Grundlage von bereits bekannten allgemeinen Gesetzen oder Prinzipien bestimmte Merkmale eines Falls annehmen. Eine Arbeitshypothese kann attributiv, assoziativ oder kausal sein.

Attributive Hypothese (Punktprävalenz)

Eine attributive Hypothese besteht aus einer Variablen. Sie beschreibt zum einen Fakten, sowie auch reale, messbare und von anderen unterscheidbaren Verhaltensweisen.

Beispiel: „Granit besteht zu mindestens 20% aus Quarz.“

Assoziative Hypothese

Die assoziative Hypothese stellt eine Beziehung zwischen zwei Variablen her. Aufgrund einer bereits bekannten Variablen kann demnach eine zweite Variable vorhergesagt werden.

Beispiel: „Durch die Konvektionsströmungen im Erdmantel werden die Kontinentalplatten in Bewegung gesetzt.“

Kausale Hypothesen

Kausale Hypothesen stellen ebenfalls eine Beziehung zweier Variablen her, jedoch führt hier die Zunahme/Abnahme der ersten Variable („cause“) zur Zunahme/Abnahme der zweiten Variable („effect“). Somit muss ein sinnvoller Kausalsatz gebildet werden (Wenn…, dann…/Je…, desto…).

Beispiel: „Je höher die CO2-Konzentration in der Luft ist, desto stärker tritt Kohlensäureverwitterung in Karbonatgesteinen auf.“

Alternative Hypothese

Die alternative Hypothese versucht die gleichen Probleme oder Phänomene wie die Arbeitshypothese zu beantworten, sucht jedoch dabei nach verschieden möglichen Erklärungen. Dadurch können verschiedene Hypothesen gleichzeitig in einer wissenschaftlichen Studie untersucht werden. Eine alternative Hypothese kann ebenso in attributive, assoziative oder kausale Hypothesen unterteilt werden.

Herausforderungen des Testens von Hypothesen in den Geowissenschaften

Allerdings gibt es in den Geowissenschaften gewisse Probleme bei der Durchführung der wissenschaftlichen Methodik.
In den Geowissenschaften kann es bei Durchführungen von „klassischen“ Laborexperimenten, um Hypothesen zu testen oder aufzustellen oft zu Schwierigkeiten kommen. Dies liegt daran, dass oft Prozesse zu groß sind (Erdbeben, Vulkanismus) oder einen zu langen Zeitraum umfassen (Orogenese) um beobachtet und nachgestellt werden zu können. Um solche übergeordneten Prozesse in der Hypothesenbildung zu berücksichtigen, werden diese oft generalisiert dargestellt und/oder mithilfe von Modellen berechnet.
Dabei stellt sich die Frage, wie stark kann ich ein System vereinfachen, ohne dabei wichtige Prozessabläufe zu sehr zu vereinfachen? Da es meistens nicht möglich ist ein komplettes System in Experimenten und Versuchen darzustellen, werden oft nur sehr kleine Ausschnitte des Systems betrachtet.
Außerdem gingen viele Prozesse vor langer Zeit von statten, sodass Geowissenschaftlern meist nur das Endergebnis dieser Prozesse vorliegt (Gestein, Fossil). Somit müssen wir vergangene Prozesse oft herleiten und chronologisch über meist sehr lange Zeiträume einordnen. Dabei kann man mithilfe der Warvenchronologie relative Alter von einzelnen Schichten (z.b. Sedimente) abschätzen. Absolute Alter erhält man beispielsweise durch die Radiokohlenstoff-, Uran-Blei- oder Kalium Argon-Datierung.

Die Herausforderungen der Geowissenschaften liegen also vor allem in den Dimensionen, der Zeitskalen und in der Komplexität der Systeme, welche durch verschiedene Methoden umgangen werden können.

Referenzen

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Autor:innen

Dieser Artikel wurde geschrieben und gegengelesen von:

Florian Heigl

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