Strategien physikalischer Theorien

Wie Physiker unser Denken leiten


Inhalt:
Die klassische Mechanik als Beispiel für vorbildliche Strategie
Einsteins Ersatzstrategie
Die Disziplinierung des Denkens als Strategie der Quantenphysik
Die Instrumentalisierung des Nichtwissens
Der Mensch als Macher


Die klassische Mechanik als Beispiel für vorbildliche Strategie

Während bei den meisten Wissenschaftlern und Laien die Sachaussagen wissenschaftlicher Theorien im Mittelpunkt der Betrachtung stehen, möchte ich mich an dieser Stelle einmal mit ihren Strategien befassen. Die Strategie einer Theorie besteht darin, daß sie auf bestimmte Weise das Denken leitet. Das ist nicht das, was sie sagt, sondern was sie effektiv tut. Den Wegen des Denkens nachzuspüren ist ein Anliegen von mir seit vielen Jahren.

Ein unverzichtbares Kriterium wissenschaftlichen Wissens ist seine Überprüfbarkeit. Die Überprüfbarkeit wird bevorzugt darin gesehen, daß eine Theorie meßbare quantitative Voraussagen liefert. Diese Eigenschaft einer Theorie halte ich nicht für ausreichend, da ja nach Thomas S. Kuhn Erklärungen vom gerade herrschenden Paradigma abhängen, was nur eine vornehme Umschreibung des Zeitgeistes ist, weshalb Popper sehr richtig erkannte, daß Theorien nicht verifiziert sondern nur falsifiziert werden können. Noch so viele weiße Schwäne können nicht beweisen, daß es keine schwarzen Schwäne gibt. Daher halte ich es im Sinne der Überprüfbarkeit für geboten, daß eine Theorie nicht nur prüfbare Tatsachenbehauptungen liefert, sondern von vornherein auf bestens abgeklärten rationalen Prinzipien beruht, die von jedermann nachvollzogen werden können. Eine von Beginn an höchsten geistigen Anforderungen genügende Theorie verdient mehr Vertrauen als eine, die sich erst am Ende mit mehr oder weniger zutreffenden quantitativen Vorhersagen rechtfertigen will. Die klassische Mechanik ist für mich ein gutes Beispiel für eine im hier aufgezeigten Sinn durchgehend prüfbare Theorie, in ihren Kernaussagen vom Zeitgeist unabhängig, weshalb wir sie uns einmal näher ansehen sollten.

Newton beginnt in der Axiomatik mit der Feststellung, daß es nicht darauf ankommt - und zwar für die Grundgesetze der Physik, wie man heute sagt -, ob ein Körper im Zustand der Ruhe oder der gleichförmig-geradlinigen Bewegung gesehen wird, sondern nur, ob auf ihm eine reale Kraft einwirkt oder nicht. Wenn keine Kraft einwirkt, erhält er sich in seinem Zustand, oder wie Newton sagte: er verharrt in diesem. Newton ist also ein Anhänger des Realprinzips welches besagt, daß nur von Realitäten und nicht von Relationen Wirkungen ausgehen können, da Relationen erst durch geistige Verknüpfungen des Beobachters entstehen, unabhängig davon, ob eine Realbeziehung zwischen dem so Verknüpften existiert.

So ist a)
Newtons 1. Axiom keine ungeprüfte Sachaussage von der Existenz kraftfreier Körper, sondern nur ein Kriterium für Kraft. Kriterien sind weder wahr noch unwahr sondern man kann nur darüber streiten, wie vernünftig sie sind. Und der pragmatische Naturforscher muß ganz undogmatisch einfach sehen, wie weit ihm ein solches zur Hand gegebenes Kriterium für seine Zwecke behilflich ist.

Ferner setzt b)
Newtons 1. Axiom das Denken auf die Spur der Wirklichkeit, indem er - dem Realprinzip folgend - sagt, daß es nicht darauf ankommt, ob ein Körper im Zustand der Ruhe oder der gleichförmig- geradlinigen Bewegung gesehen wird, sondern nur, ob auf ihm eine reale Kraft einwirkt oder nicht. "Ruhe" und "Bewegung" sind keine objektiven Eigenschaften unbelebter Körper sondern nur Analogien zu belebten Körpern, über die unbelebte Körper völlig erhaben sind. Der Eindruck von "Ruhe" und "Bewegung" entsteht, wenn der Beobachter Körper in Relation zu einem von ihm als solchen angesehenen "Fixpunkt" setzt - und das macht sein kognitiver Apparat ganz automatisch, weshalb der Beobachter diesen Eindruck immer schon vorfindet und meint, daß er ein objektiver wäre. So wie das Größer- und Kleinersein nur in der Relation existiert, die ein Beobachter herstellt, genauso existiert das "Ruhen" und das Schneller- und Langsamersein eines physikalischen Körpers nur in den Augen des Betrachters, während der Körper selbst, lediglich "in seinem Zustand verharrt", wie es bei Newton ganz richtig heißt, wenn keine Kraft auf ihn eindrückt. Ohne einen Beobachter und sein Bezugssystem hat ein unbelebter Körper nichts an sich, was man seine Bewegung und seine Geschwindigkeit nennen könnte. Mit Hilfe von Newtons 1. Axiom kann sich der Beobachter jedoch vom trügerischen Eindruck der Bewegtheit toter Gegenstände befreien. Mathematisch befreit er sich von der subjektiven Größe "Geschwindigkeit", in dem er sie hinausdifferenziert und bei der objektiven Größe "Beschleunigung" (Änderung der Bewegungsgröße) landet. Indem der Forscher danach nur noch mit Werten rechnet, für die nicht mehr eine Setzung von ihm selbst die Verantwortung trägt, wird seine Berechnung auf eine objektive Grundlage gestellt. So bringt Newton das Denken vom Schein zum Sein. Das ist beste wissenschaftliche Strategie!

Als c)
wäre noch positiv zu vermerken, daß in Newtons Axiomen der Erhalt - das "Verharren" im Zustand, wenn keine Kraft eindrückt - keine Gründe hat, sondern eine notwendige Voraussetzung von Physik ist. Wäre es unbelebten Körpern ohne Ursache möglich, ihren Zustand zu ändern, hätten wir es nicht mehr mit einem Reich der Notwendigkeit zu tun und Wissenschaft wäre unmöglich. Der Erhalt eines Zustandes bedarf keiner Ursache sondern nur der Sache, um die es geht, die erst in der Wechselwirkung zur Ursache wird. Ursachen sind nicht etwas "Metaphysisch- Religiöses", wie Mach meinte. Erst wer (aus ideologischen Gründen) eine Ursache "hinter" den Sachen sucht, z. B. bei Gott oder "fernen Massen" (einem atheistischen Synonym für Gott), die die Dinge in ihrem Sein/ihrer Trägheit erhalten usw., betreibt Metaphysik.

Einsteins Ersatzstrategie

Ähnlich wie Newton ging Einstein vor, gehört die Relativitätstheorie doch auch zur klassischen Mechanik. Auch bei Einstein ging es um den Denkfehler des naiven Beobachters, daß eine von ihm gesehene Bewegung außerhalb einer Wechselwirkung von physikalischer Relevanz wäre. Was unternimmt Einstein nun, damit die Benutzer seiner Theorie, die Newton nicht mehr verstehen, trotz ihres Denkfehlers (und bei seiner scheinbaren Rechtfertigung!) zu quantitativ richtigen Aussagen kommt? Wie Newton den Denkfehler - nämlich die subjektive Größe v - durch Differentialrechnung verschwinden läßt, rechnet ihn Einstein für das Licht durch die Lorentztransformationen ebenfalls einfach weg. Als Objektivist nichts von der Beobachterrolle wissend glaubte er jedoch, eine dem Zeitgeist entsprechende und somit publikumswirksame materielle Erklärung für diese rein rechnerische Transformation geben zu müssen - oder wollte er sie nur den Objektivisten schmackhaft machen? Ich denke, daß die Relativität von Raum und Zeit nur das plausibel klingende Verkaufsargument der den Denkfehler wegrechnenden Lorentztransformationen ist. Während Einstein also nach außen hin mit dem Relativitätsprinzip argumentiert, benutzt er tatsächlich das Realprinzip, um seine Theorie brauchbar zu machen. Doch damit Lösungen der Lorentztransformationen bei Überlichtgeschwindigkeiten nicht zu negativen Ergebnissen führen, die die Unsinnigkeit der Ad-hoc-Erklärung sofort offensichtlich machen würden, mußte Einstein für v ein Tempolimit erlassen, das bei den theoretischen Physikern bis heute zu einer anhaltenden Denk- und Wahrnehmungsblockade geführt hat. So wollen sie nicht einmal wahrhaben, daß in modernen gegenläufigen Beschleunigungsmaschinen die Probanden mit fast 2-facher Lichtgeschwindigkeit aufeinandertreffen. Und die Zeitlosigkeit beim Tunneln wird einfach bestritten, wobei ihnen jedes Argument recht ist, wenn es nur Eindruck zu machen verspricht. So ist Einsteins Strategie zwar wirksam, doch "vorbildlich", wie die Newtonsche, wird man sie kaum nennen können.

Die Disziplinierung des Denkens als Strategie der Quantenphysik

Da drängt sich natürlich sofort die Frage nach der Strategie der Quantenphysik auf. Weil sie sich mit "Quanten", also äußerst kleinen physikalischen Gebilden befaßt, war ein äußerst genaues Bedenken von Meßergebnissen unvermeidlich. Ihre Probleme waren nur durch eine Disziplinierung des Denkens zu lösen, zu der es auch gehört, nur mit experimentell vielfach abgesicherten Größen zu arbeiten. Dabei ist die von Heisenberg formulierte Unschärfe eine nicht aufhebbare Eigenschaft unseres Wissens über Ort und Geschwindigkeit von Teilchen. Sie ist einerseits materiell durch die Meßmittel bedingt, andererseits durch die quantenmechanische Natur des zu Messenden, die eben keine klassische Punktmasse ist. Und indem die Quantenphysik es ablehnt, Aussagen über prinzipiell Unbeobachtbares zu machen, z.B. über ungestörte Quanten oder was Teilchen zwischen zwei Beobachtungen tun oder was die wahre Bahn des Teilchens ist und ähnlich "schlaue", mit großen Eifer erörterte wissenschaftlich sinnlose, weil nicht aufklärbare Fragen mehr, wahrt sie auch hierbei das Wissenschaftskriterium, nur prüfbare Aussagen zu machen. Wer immer die Unschärfe vermeiden wollte müßte zeigen, wie bei Quanten eine Messung ohne Wechselwirkung möglich ist. Aber von Dingen, mit denen wir nicht wechselwirken, können wir naturwissenschaftlich sowieso nichts wissen.

Die Instrumentalisierung des Nichtwissens

In den einfachen Worten, in denen Heisenberg "Die Kopenhagener Deutung der Quantentheorie" wiedergibt, kann sie eigentlich nur mißverstehen, wer Wissen und Sein nicht zu unterscheiden vermag, wer also sein Denken nicht genügend diszipliniert hat. Einem solchen wird die Unschärfe infolge der durch Wechselwirkung und der quantenmechanische Natur des zu Messenden bedingten Grenze unseres Wissens eine ganz sonderbare Unschärfe des Verhaltens der Dinge und ihrer Kausalität, die Physiker und Theologen zu den gewagtesten Spekulation hinriß bis hin zu der Vermutung oder gar Behauptung, daß die Unschärfe der Grund für Willensfreiheit sei. Die Existenz der Willensfreiheit ist für die Theologen natürlich äußerst wichtig, damit der undankbare Mensch an der Vertreibung aus dem Paradiese, das der liebe Gott in seiner Vollkommenheit und Allgüte sich für ihn so herrlich ausgedacht hatte, selber schuld ist. Aus der Unbestimmtheit der Bahn des Teilchens wurde die Aussage, daß Teilchen in einer Wolke "verschmiert" oder an mehreren Orten zugleich sind, aus dem Nichtwissen zwischen zwei Beobachtungen wurde gleich die Behauptung einer eingeschränkten Existenz der Quanten, ja Hans-Peter Dürr glaubt, daß der Teilchencharakter der Quanten eine Folge der Messung ist und daß die Welt bei jeder Beobachtung wieder neu aus dem Reich des Möglichen entsteht. Was wir dagegen mit Gewißheit sagen können ist, daß bei jeder Beobachtung eine erneut und anders gestörte mikrokosmische Welt sich zeigt und daß die Willensfreiheit keine vom Charakter der Quanten abhängige Frage sondern eine Frage unserer Würde als Mensch ist. Jedes System antwortet auf Herausforderungen gemäß seiner eigenen Struktur (Maturana) und läßt sich nicht von außen bestimmen (sondern nur stören), was natürlich einem (gerade von vielen Physikern noch gepflegten) totalitären Denken äußerst suspekt ist.

Es fällt eben auch Wissenschaftlern schwer, immer sachlich nüchtern bleiben zu können und ideologiefrei zu denken. Und ihr fast unheilbarer Hang zum Objektivismus - Erscheinungen und unser Wissen immer gleich als die Sache selber zu nehmen - ist eine aus dem naiven Realismus kommende Bereitschaft, der Physiker besonders gern nachgeben. Daher brauchen sie immer wieder große Vordenker, die ihr Denken in brauchbare Bahnen leiten, ohne sich lange zu erklären, da ein solch aufklärerisches Unterfangen bei ihnen wahrscheinlich sowieso sinnlos wäre.

Der Mensch als Macher

Die hier erwähnten Strategien sind selbst auch nur Beispiele dafür, wie wir Menschen als Macher mit der Welt selbstbezogen umgehen, ohne das Eigensein der Dinge wirklich verstehen zu wollen, geschweige es zu verstehen. Kommt bei einer Theorie "hinten" etwas Brauchbares raus, sind auch Wissenschaftler zufrieden und halten "alles für bewiesen". Dabei wurde ihnen vielleicht nur ein Denkfehler wegrechnet und die dazu gegebene "Erklärung" ist reine Poesie. Egal, Hauptsache sie funktioniert. Nachdenklichkeit ist da nur störend. Wissenschaft wird so zur Machenschaft. Das ist auch nur wie mit anderen Dingen unseres täglichen Umgangs. So haben wir Uhren konstruiert, die in einer Million Jahren nur eine Sekunde von der Idealzeit abweichen. Doch wenn man die Techniker in der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt in Braunschweig fragt, die für die Uhren des Zeitsignals verantwortlich sind, was Zeit und was Messen heißt, dann sind sie vorsichtig mit Festlegungen und verweisen lieber auf die Erfolge der Meßtechnik. Im zuständigen Normenausschuß für Meßgrößen gibt es keine einheitliche Meinung, was eine Meßgröße ist - doch man stellt dazu einen neuen Normentwurf dazu vor. 1996 wurde "100 Jahre Kino" gefeiert, doch keiner kann sagen, warum wir Standbilder als "bewegte" Bilder sehen. Techniker haben durch Versuch und Irrtum einfach nur herausgefunden, was gemacht werden muß, daß "Bilder laufen lernen". Doch sie laufen mitnichten. Sondern unser kognitiver Apparat interpretiert automatisch leicht voneinander abweichende Standbilder als "Bewegung" der sich verändernden Objekte, weshalb es eben unerheblich ist, ob Objekte nun selber laufen oder dem Zuschauer nur in veränderlichen Relationen dargeboten werden. Aber daß alle physikalischen Lehrstühle Einsteins Auffassung für richtig halten, daß Bewegung außerhalb von Wechselwirkungen etwas bewirken kann, obgleich die Messungen von Michelson und Morley genau das Gegenteil bewiesen hatten (ganz abgesehen davon, daß hier der Boden der Naturwissenschaft verlassen wird), erklärt sich rein aus der Brauchbarkeit seiner speziellen Relativitätstheorie unter der herrschenden Denkweise, die Thomas S. Kuhn als "Paradigma" umschrieb. Dabei hatte schon Newton im 1. Axiom darauf hingewiesen, daß es für die Grundgesetze der Physik nicht darauf ankommt, ob Körper "ruhend" oder in "gleichförmig-geradliniger Bewegung" gesehen werden - eine Einsicht, die auch die vorsokratischen Eleaten schon hatten.

Es ist eben physikalisch belanglos, was sich in unserem Kopf tut. Einzig entscheidend ist, was draußen den Dingen geschieht. Und weil er dies erkannt hatte, nimmt Newton uns an die Hand und führt mit seinen klassischen Bewegungsgesetzen unser Denken vom Schein zum Sein. Einstein ist da unter einem anderen Zeitgeist, den Newtons Argumente nicht mehr erreichen, nur ein Newtonersatz und die Quantenmechanik eine Anwendung der klassischen Wechselwirkung mit ihren Folgen auf den Mikrokosmos, erschwert durch die quantenmechanische Natur des zu Messenden, die eben auch als Welle beschrieben werden kann. Der englische Philosoph und Mathematiker Alfred North Whitehead hat einmal gesagt, daß die Philosophiegeschichte eine Fußnote zu Platon ist. Ich meine, erst recht könnte man sagen, daß die Physikgeschichte eine Fußnote zu Newton ist, auch wenn das sicher viele nicht wahr haben wollen. Hätten sie aber selbst genügend Einsichten über die Voraussetzungen von Physik als Wissenschaft, über unsere Rolle als Beobachter und als Mitwirkende auf der Bühne des Lebens, wie Bohr es formulierte, dann wären sie mündig und auf die Strategien physikalischer Theorien und ihre zeitgeistigen Einkleidungen nicht mehr angewiesen und brauchten nicht für jeden kleinen Erkenntnisfortschritt eine neue Physik. Vom Zeitgeist befreit wären sie geistig dann Herr im eigenen Haus und hätten auch kein Problem mit einer Physik aus einem Guß. (s. hierzu meine Notiz vom Juni 2011 auf I/B5 "Gravitation und Quantenphysik".)

Vorarbeiten (Quellenangaben ggf. dort):
Das Realprinzip als Erkenntnisstrategie (Text I/A4)
Allgemeine Grundlagen der Mechanik (Text I/B4)

© HILLE 1997
Dieser Text hätte es m.E. auch verdient, bei DPG-Tagungen vorgetragen zu werden.

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