Das Menu "Philosophie der Physik" ist in einer früheren Version als Buch erhältlich. Der Titel ist Natterer, Paul: Philosophie der Physik. Mit einem Abriss zur physikalischen Grundlagenforschung [= Edition novum studium generale 3], Norderstedt 2010, 152 S. Mit 2 Farbabbildungen. Verkaufspreis: 21, 90 € [ISBN 978-3-8391-7266-7]. Wir weisen darauf hin, dass diese erste Druckauflage der Philosophie der Physik inzwischen wesentliche Ergänzungen erfahren hat und in manchen Hinsichten nicht mehr den aktuellen Stand der Diskussion wiedergibt. Den aktuellen Inhalt und Umfang bietet (bis zu einer in Aussicht genommenen Neuauflage der Druckversion) das vorliegende E-Portal zur Philosophie der Physik.

Vorbemerkungen zur Philosophie der Physik

Die klassische Physik der Neuzeit mündete im 19. Jh. in zwei große abschließende Theorien. Einerseits war dies die Mechanik als Theorie der Materie und Schwerkraft. Ihr Vollender war Isaac Newton [Bild links]. Andererseits war dies der Elektromagnetismus als Theorie der Strahlung, einschließlich der Optik. Ihre abschließende Gestalt erhielt sie von James Maxwell. Diese klassische Physik der Neuzeit arbeitete im mikrophysikalischen Bereich ohne Atome bzw. nur mit einem äußeren, mechanistisch verstandenen Atommodell mit stetig veränderbaren Größen und ohne eine Erklärung der Atome (Atomtheorie). Und sie erörterte im makrophysikalischen Bereich nicht einen möglichen Einfluss von Bezugssystemen, konkret: von Raum und Zeit.

Die moderne Physik beginnt am Anfang des 20. Jh. mit der Einführung von Atomen mit Protonen, Neutronen und Elektronen, durch die Quantentheorie; und mit der Hypothese zu Raum und Zeit als physikalisch relevanten Bezugssystemen, durch die Relativitätstheorie. Die Quantentheorie legte die diskrete, gequantelte und dynamische Binnenstruktur der Atome und Elementarteilchen offen. Die Relativitätstheorie postulierte einen physikalisch bedeutsamen Einfluss der Bezugssysteme Raum und Zeit unter Extrembedingungen. Damit schien eine neue stabile Grundlage erreicht. Sie wurde jedoch durch die Entdeckung hunderter noch elementarerer Teilchen und neuer Grundkräfte bald gesprengt. [Foto rechts: Max Planck, Wegbereiter der Quantentheorie, im Jahre 1901 in Berlin z.Zt. der Entdeckung der Quantenrealität. Nobelpreis 1918]

Das Menu 'Philosophie der Physik' fußt auf dem von mir 2004/05 entwickelten Kursmaterial zu einem Seminarkolleg 'Bildungsmanagement' und auf einem Skript zur modernen Physik für Studierende am Fachbereich I der Universität Trier. Die Darstellung speziell der Elementarteilchenphysik und Kosmologie folgt dem sog. Standardmodell der Physik. In diesen Bezugsrahmen rücken wir eventuelle kritische Anmerkungen ein. Dass auch der Status des Standardmodells als Bezugsrahmen nicht selbstverständlich und endgültig ist, wird Thema im Abschnitt bzw. Kapitel 'Kosmologie: Theorien für alles' sein. Unser dortiger Referenztext ist John D. Barrow: Theories of Everything. The Quest for Ultimate Explanation, Oxford 1991; Neubearbeitung als: New Theories of Everything, Oxford 2007; [dt.: Theorien für Alles. Die philosophischen Ansätze der modernen Physik, Heidelberg/Berlin/New York 1992 (TB: Reinbek 1994)]. 

Weiterführende Literatur: Heisenberg, W. (1990 [1942]) Ordnung der Wirklichkeit, 2. Aufl. München/Zürich; Dürr, H.-P. (2000) Das Netz des Physikers, 3. Aufl. München; Popper, K. R. (1989) Logik der Forschung, 9. Aufl. Tübingen; Mittelstaedt, P. (1989) Philosophische Probleme der modernen Physik, 7. Aufl. Mannheim/Berlin/Zürich; Weizsäcker, C. F. v. (2002) Ein Blick auf Platon. Ideenlehre, Logik und Metaphysik, Stuttgart; Putnam, H. (1993) Von einem realistischen Standpunkt. Schriften zur Sprache und Wirklichkeit, Hamburg; Butterfield, J. (Autor) / Gabbay, D. M. (Hrsg.) / Woods, J. H. (Hrsg.) (2006) Philosophy of Physics, Amsterdam [das z. Zt. maßgebliche Standardwerk im Umfang von 1522 S.]; Esfeld, M. (2011) Einführung in die Naturphilosophie, 2. Aufl. Darmstadt.

Der kosmische Teilchenzoo

Die oben genannten und im Laufe des 20. Jh. neu entdeckten subatomaren Elementarteilchen haben drei Eigenschaften: Masse — elektrische Ladung, die immer ein ganzes Vielfaches einer fundamentalen Einheitsladung (nämlich des Elektrons) ist — Eigendrehimpuls oder innere Rotation (spin), der ebenfalls immer ein ganzes Vielfaches einer Spineinheit ist.

Elementarteilchen mit einem geradzahligen Vielfachen dieser Spin-Einheit sind sogenannte Bosonen. Bosonen stellen zum Einen eine Klasse von Elementarteilchen, welche die Überträger der vier Grundkräfte sind: die sogenannten Austauschteilchen. Dazu zählen z.B. die Photonen. Siehe hierzu mehr in Folge. Zum anderen zählen zu den Bosonen die Mesonen: Kernteilchen (Hadronen) mittlerer Masse. Bosonen verhalten sich anders als Elementarteilchen mit einem ungeradzahligen Vielfachen der Spin-Einheit, die Fermionen genannt werden. Alle elementaren Bestandteile der Materie außer o.g. Mesonen sind Fermionen. Dazu zählen einmal Elementarteilchen der Atomhülle geringer Masse wie Elektronen und Neutrinos in sechs unterschiedlichen Arten, die sogenannten Leptonen. Zum anderen zählen zu den Fermionen Kernteilchen (Hadronen) großer Masse wie Protonen und Neutronen, die sogenannten Baryonen. [Foto oben: Erwin Schrödinger, der in Wien, Zürich und Berlin neben Heisenberg das erste mathematische Modell der quantentheoretischen Elementarteilchenphysik entwickelte: Schrödingergleichung der Wellenmechanik. Nobelpreis 1933]

Mesonen und Baryonen sind ihrerseits wieder aus noch elementareren Teilchen zusammengesetzt, den Quarks. Davon gibt es sechs Arten mit je drei Gewichtsklassen (= sog. Farbquantenzahlen), also insgesamt 18 Quark-Unterarten. Der Binnenaufbau der Mesonen geschieht durch je zwei Quarks aus den sechs Quark-Arten. Der Binnenaufbau der Baryonen geschieht durch je drei Quarks aus den sechs Quark-Arten.

Dabei gilt jedoch: "Wir müssen uns damit abfinden, dass es Elementarteilchen im 'naiven' Sinne von Newton nicht gibt [...] Wenn wir fragen, was wir unter einem Elementarteilchen verstehen, dann lautet die Antwort: Es handelt sich um einen quantenmechanischen Zustand, der einer Differentialgleichung genügt [...] Wenn ich von einem Quark rede, ist das nichts anderes als ein Kürzel für einen sehr komplizierten Anregungszustand eines Feldes, das nichts Materielles im eigentlichen Sinn mehr ist" (Schopper: Was heißt Materie? Beiträge der Elementarteilchenphysik zum Weltverständnis. In: Thomas (Hrsg.): Naturherrschaft, Herford 1991, 19—20, 49). Das Zitat stammt von Herwig Schopper, 1980—2000 Generaldirektor der Europäischen Organisation für Kernforschung (CERN) in Genf, dem weltgrößten Forschungszentrum auf dem Gebiet der Teilchenphysik, und verantwortlich für Konstruktion und Operation des Großen Elektron-Positron Speicherrings (Large Electron-Positron Collider, LEP). LEP ist die ausgedehnteste und aufwändigste je gebaute Großforschungsanlage zur experimentellen Untersuchung der Bausteine der Materie oder Elementarteilchen; seit 1999 dient sie als Großer Hadronen-Speicherring (Large Hadron Collider, LHC). Siehe auch in Folge das Kurzportrait Schoppers im Abschnitt 'Symmetrien'.

Weiterführende Literatur: Fritzsch, H. (1981) Quarks. Urstoff unserer Welt, München / Zürich; Grehn, J. et al (Hrsg.) (1992] [2014) Metzler Physik, 2. Aufl. Hannover, Kap. 13; Meschede, D. (Hrsg.) (2002 [²⁵2015]) Gerthsen Physik, 21. Aufl., Berlin / Heidelberg / New York et al., Kap. 12 + 16; Thomas, H. (Hrsg.): Naturherrschaft. Wie Mensch und Welt sich in der Wissenschaft begegnen, Herford 1991; Falkenburg, B. (1995) Teilchenmetaphysik. Zur Realitätsauffassung in Wissenschaftsphilosophie und Mikrophysik, 2. Aufl. Heidelberg / Berlin / Oxford; Schopper, H. (2009) LEP — The Lord of the Collider Rings at CERN 1980—2000. The Making, Operation and Legacy of the World's Largest Scientific Instrument, Berlin / Heidelberg / New York.

Das kosmische Kräftequartett

Grundkräfte

Wir haben im Vorhergehenden von Herwig Schopper, dem "Lord of the Collider Rings at CERN" erfahren, dass Elementarteilchen "nichts Materielles im eigentlichen Sinn mehr" sind. Doch das ist nicht das letzte Wort: "Die 'Entmaterialisierung' der Grundbausteine der Materie geht weiter. Man hat erkannt, daß die Kräfte die alles bestimmenden Elemente für die Naturbeschreibung sind. Sie verursachen nicht nur den ständigen Wandel in der Natur, sondern aus ihrer Struktur lassen sich auch die Eigenschaften der Elementarteilchen ableiten" (Schopper: Was heißt Materie? In: Thomas (Hrsg.): Naturherrschaft, Herford 1991, 20).

Es gibt vier Grundkräfte in der physikalischen Natur. In diesem Kräftequartett spielt einmal die Schwerkraft (Gravitation) mit. Sie ist die einzige universelle Kraft, die ohne Ausnahme zwischen allen Teilchen wirkt. Sie wirkt anziehend, ist absolut betrachtet winzig, lässt sich aber beliebig steigern und hat eine unbegrenzte Reichweite, wobei ihre Stärke bekanntlich mit dem Quadrat des Abstandes abnimmt.

Der zweite Mitspieler, der Elektromagnetismus ist die elektrische Ladung als Quelle des elektromagnetischen Feldes. Sie ist keine universelle Kraft. Sie hat absolut betrachtet eine riesige Stärke, die wie die Schwerkraft mit dem Quadrat des Abstands abnimmt. Sie lässt sich jedoch nicht beliebig steigern, sondern neutralisiert sich selbst und hat nur eine mittlere Reichweite, die etwa dem menschlichen Erfahrungshorizont entspricht. [Foto rechts: Max von Laue, Schüler Plancks und ebenfalls in Berlin tätig, einer der Gründerväter der modernen Physik. Nobelpreis 1914]

Die dritte Kraft ist die starke Kernkraft. Sie ist eine Bindungskraft (Ladungsenergie) zwischen Kernteilchen in drei Unterarten. Sie hat eine gewaltige Stärke, aber eine winzige Reichweite (10^-15 cm), die sich nur auf die o.g. Quarks erstreckt. Diese Kraft sorgt für den Zusammenhalt der Teilchen im Atomkern, die insgesamt als Hadronen bezeichnet werden. Zu ihnen gehören v.a. die schon genannten Baryonen bzw. ihre Bestandteile, die Quarks.

Die letzte Kraft ist die schwache Kernkraft. Sie tritt auf als Reaktionskraft bei Umwandlung von Teilchen und wirkt nicht nur auf Hadronen bzw. Quarks, sondern auch auf die Leptonen. Ihre Stärke liegt zwischen Elektromagnetismus und Schwerkraft.

Im Blick auf die Grundkräfte ist philosophisch die Antwort auf die Frage wichtig: "Was ist Kraft? Die Frage ist jahrhundertelang verdrängt worden. Newton, der sich damals mit der Schwerkraft befaßte, hat gesagt: Was Kraft ist, interessiert mich nicht, ich benutze sie aber, sowohl um den Fall des Apfels zu beschreiben wie auch die Bewegungen der Gestirne [...] Aber was Kraft eigentlich ist, hat er gesagt, interessiere ihn nicht. Nun, das ist unbefriedigend." (Schopper: Was heißt Materie? In: Thomas (Hrsg.): Naturherrschaft, Herford 1991, 21) Schopenhauer formulierte deswegen das Axiom: „Die Physik vermag nicht auf eigenen Beinen zu stehen, sondern bedarf einer Metaphysik [...] Denn sie erklärt die Erscheinungen durch ein noch Unbekannteres, als diese selbst sind: durch Naturgesetze, beruhend auf Naturkräften“ (Welt als Wille und Vorstellung II, Kap. 17). Ein aktuelles Plädoyer für diese Einsicht ist Chun-Fa Liu: Die metaphysische Grundlage der Kontroverse um den Kraftbegriff zwischen Decartes und Leibniz, Tübingen 2014.

Ähnlich E. H. Du Bois-Reymond, internationale Leitfigur der Philosophie der Naturwissenschaften in der 2. Hälfte des 19. Jh. und Pionier der Neurophysiologie und -diagnostik, in der berühmten Programmrede Über die Grenzen des Naturerkennens (Leipzig 1872): "Gegenüber dem Rätsel ..., was Materie und Kraft seien ... muß [der Naturforscher] ein für allemal zu dem ... Wahrspruch sich entschließen: „Ignorabimus“ [Wir werden es nicht wissen].“ Du Bois-Reymond ist ansonsten bekannt als Pionier der gegenwärtigen Qualia-Diskussion in der Philosophie des Geistes, also des Problems des nicht physikalisch reduzierbaren phänomenalen Bewusstseins qua qualitative Erfahrung. Siehe hierzu das Menu Philosophie des Geistes. In dem weiteren viel debattierten Thesenpapier Die sieben Welträtsel (Leipzig 1880) diskutiert Du Bois-Reymond im Einzelnen, wo er die Frage nach dem Wesen der wichtigsten naturwissenschaftlichen Begriffe im Rahmen der naturwissenschaftlichen Erkenntnis als nicht beantwortbar ansieht. Die einzelnen Punkte sind diese: (1) Was ist Materie und Kraft? (2) Woher kommt der Ursprung der Bewegung? (3) Woher kommt das erste Leben? (4) Woher stammt der Zweck in der Natur? (5) Woher stammt die bewusste Empfindung in den unbewussten Nerven? (6) Woher kommt das vernünftige Denken und die Sprache? (7) Woher stammt der „freie“, sich zum Guten verpflichtet fühlende Wille? Bei den Fragen 1, 2, 5 und 7 war Du Bois-Reymond der Überzeugung, dass sie in die Transzendenz führen.

Austauschteilchen der Grundkräfte

Die Austauschteilchen der Grundkräfte sind die vier Energiedienstleister der Natur. Diese gehören alle zu den Bosonen, haben also einen geradzahligen Eigendrehimpulswert. Träger der Schwerkraft ist das bisher nicht experimentell nachgewiesene, aber indirekt als bewiesen geltende Graviton. Es hat die Ruhemasse 0 und koppelt sich an alle Teilchen, auch an andere Gravitonen.

Das bekannteste Boson ist aber das Photon, der Überträger der elektromagnetischen Kraft durch Austausch von Impuls und Energie. Es hat in Ruhe die Masse 0 und koppelt sich naturgemäß nur an geladene Teilchen.

Überträger der starken Kernkraft sind acht sogenannte Gluonen, deren Stärke bei wachsendem Abstand zunimmt. Das bedeutet, dass sie ihre Partner, die Hadronen oder Kernteilchen, mit einem unüberwindlichen Energiewall umgeben. Man nennt diesen das Hadronengefängnis.

Überträger der schwachen Kernkraft sind schließlich die sogenannten W+, W- und Z-Teilchen. Die ersten beiden sind elektrisch geladen und weisen eine riesige Masse auf – fast 100 Mal so schwer wie die Protonen. Das Z-Teilchen ist dagegen vom Typ der Photonen. Die Reichweite dieser Teilchen ist durchgängig gering.

Weiterführende Literatur zu den Grundkräften: Meschede, D. (Hrsg.) (2002 [²⁵2015]) Gerthsen Physik, 21. Aufl., Berlin / Heidelberg / New York et al., Kap. 12 + 16; Davies, P. C. W. / Brown, J. R. (1989) Superstrings. Eine allumfassende Theorie?, Basel / Boston / Berlin; Salmon, W. C. (1998) Causality and Explanation, Oxford; Kistler, M. (1999) La causalité et les lois de la nature, Paris; Dowe, Ph. (2000) Physical Causation, Cambridge; Ostriker, J. P. / Steinhardt, P. J. (2001): Die Quintessenz des Universums. In: Spektrum der Wissenschaft 3/2001, 32—39.

Überzeitliche Werte im Teilchenzoo: Symmetrien

Aus der Schulmathematik ist die Unveränderlichkeit oder Invarianz einer spiegelsymmetrischen Figur (Quadrat, Dreieck, Kreis) gegenüber Spiegelung an Spiegelachsen bekannt. Ebenso die Invarianz solcher Figuren gegenüber Drehung (Rotationssymmetrie). Symmetrie hat also mit der Erhaltung von Merkmalen von Gegenständen bei Bewegungen oder Änderungen zu tun, hier der Merkmale einer bestimmten geometrischen Figur.

In der modernen Physik wird der Begriff Symmetrie auf sogenannte Erhaltungssätze in der Natur angewandt. Die mathematische Berechenbarkeit des konkreten Gewimmels von Kraftfeldern, Teilchen und ruheloser Quantenaktivität des realen Raums kommt schnell an ihre Grenzen. Daher interessieren sich Physiker für unveränderliche Werte in diesem Gewimmel, auf die man sich gewissermaßen verlassen und auf die man Gesetze gründen kann. Diese unveränderlichen Werte nennen sie Symmetrien. [Foto oben: Edward Witten (Princeton), der gegenwärtig bekannteste Vordenker spekulativer Supersymmetrien und Superstringmodelle, siehe in Folge.]

Dazu noch einmal Schopper: "Wir glauben heute, daß wir ein noch tieferes Prinzip als die Kräfte haben: Das sind Symmetrien, Symmetrien unserer Raum- und Zeitstruktur. Letzten Endes sollen es also die Eigenschaften von Raum und Zeit sein, die die Eigenschaften der Kräfte bestimmen, und weiterführend bestimmen dann die Kräfte die Eigenschaften der Elementarteilchen [...] Wenn Sie aber fragen, was letztlich das Wesen der Materie ist, dann muß ich antworten, daß es keine letzten harten Bausteine gibt, sondern daß sich alles auflöst in ideale Begriffe wie Symmetrien." (Schopper: Was heißt Materie? Beiträge der Elementarteilchenphysik zum Weltverständnis, a.a.O. 1991, 21—22).

Symmetrien sind Ordnungsprinzipien, die auf Raum und Zeit oder ein sogenanntes Raumzeit-Kontinuum angewandt werden. Physiker stellen sich Letzteres als erfüllt von dem undifferenzierten, chaotischen Prozess eines n-dimensionalen Vakuumschaums vor, der die physikalischen Kraftfelder bestimmt, welche Zustände des Vakuums sind: "Das Vakuum in der Physik ist nach der Quantenmechanik ... erfüllt von sehr vielen Phänomenen [...] Die Struktur von Raum und Zeit ist in der Quantenmechanik nichts Leeres, sondern hat sehr viele Eigenschaften. Die Struktur des Vakuums ist einer der Träger für die Vereinigung der Kräfte." (Schopper: Was heißt Materie?, a.a.O. 47)

Wir merken hier allerdings an, dass erstens die auch in den allgemeinen Sprachgebrauch übergegangene Rede von der Raumzeit nicht unproblematisch ist: Es ist strittig, ob die Dimensionen des Raumes und die Zeitdimension gleich behandelt werden können und kommensurabel sind. Viele Kritikpunkte fasst Peter Rohs zusammen: Feld—Zeit—Ich: Entwurf einer feldtheoretischen Transzendentalphilosophie, Frankfurt a. M. 1996.

Zweitens zeigen obige Zitate, dass Schopper in der Frage nach dem Verhältnis von Raum, Zeit und Materie die Position des Substantialismus vertritt: Raum und Zeit sind als vereinigte Raumzeit zugleich eine absolute Entität oder eigenständige Substanz. Diese Substantialität kann nun bereits ohne die mit der gravitationellen Energie-Materie gegebenen Eigenschaften des metrischen Feldes behauptet werden = intrinsischer Mannigfaltigkeits-Substantialismus, der als physikalisch gescheitert gilt. Oder in der Version, "dass die Raumzeit einschließlich des metrischen Feldes, also einschließlich ihrer geometrisch-gravitationellen Struktur, eine Substanz ist [...] Die metrischen Eigenschaften sind relationale im Unterschied zu intrinsischen Eigenschaften: Sie kommen einem Punkt der Raumzeit nur relativ auf seine ... Umgebung zu [...] Diese Version des Substantialismus ist als metrischer Essentialismus bekannt." (Esfeld: Einführung in die Naturphilosophie, Darmstadt 2011, 39)

Obige Zitate legen sogar nahe, dass Schopper Anhänger des Ansatzes des Super-Substantialismus ist, "alles Materielle auf Eigenschaften der Raumzeit zurückzuführen" (Esfeld a.a.O. 41), also alle nicht-gravitationelle Energie-Materie auf die durch gravitationelle Energie-Materie definierte Geometrie der Raumzeit zurückzuführen. Die bekannteste Version ist bzw. war hier die Quantengeometrodynamik (siehe in Folge), die als gescheitert gilt. Heute wird meist den Punkten der Raumzeit sowohl gravitationelle Energie-Materie zugesprochen als auch postuliert, dass "an diesen Punkten ... die Eigenschaften der Felder nicht-gravitationeller Energie-Materie ... existieren" (Esfeld a.a.O. 43)

Die Forschungstendenz geht sogar in die umgekehrte Richtung: "Es scheint vielmehr, dass das metrische Feld mit der Aufnahme der Gravitation selbst einen materiellen Charakter annimmt, statt eine rein geometrische Eigenschaft zu sein, die es ermöglichen würde, auch andere rein materielle Eigenschaften rein geometrisch zu verstehen [...] Die überwiegende Mehrheit der Forscher im Bereich der Quantengravitation [= Vereinheitlichung von Quantenfeldtheorie und allgemeiner Relativitätstheorie] arbeitet heute mit der Hypothese, dass der Quantenbereich fundamentaler als die klassische Raumzeit der allgemeinen Relativitätstheorie ist" (Esfeld a.a.O. 44; vgl. C. Kiefer: Quantum Gravity, Oxford 2004 und D. Guilini: "Matter from Space", Basel 2010).

Diese aktuellen Diskussionen zeigen übrigens, dass Konzeptionen und Argumente der naturphilosophischen Tradition von überzeitlicher Bedeutung sind, sowohl für die experimentelle wie für die theoretische Physik. Denn alle heute vertretenen Theorien zu Raum, Zeit und Materie sind Reformulierunmgen klassischer Positionen der Naturphilosophie. Einen sehr gerafften, aber guten Überblick zu dieser Kontinuität bietet Esfeld 2011, Kap. III: Raum, Zeit und Materie, 19—29. So ist Isaac Newton Vordenker des Substantialismus, also eines absoluten Raumes (und Zeit), während Gottfried Wilhelm Leibniz Vordenker eines relationalen Begriffes von Raum und Zeit ist: Raum und Zeit existieren nicht für sich, sondern sind relationale Eigenschaften an phänomenalen materiellen Dingen, welche durch reale Kraftpunkte (Monaden) konstituiert werden. Das ist im Prinzip ein Modell für die Quantengravitation. Andererseits kann Descartes mit vielen Interpreten als Vordenker des Super-Substantialismus angesehen werden, also der Identifizierung von Materie und physikalischen Körpern mit Raum und Zeit bzw. Ausdehnung und Bewegung. Spinoza setzt von Descartes ausgehend, den Akzent genau andersherum: Eine kontinuierliche materielle Substanz, ein alles umfassendes materielles Feld ist das Fundamentale, auf das Raum und Zeit zurückgeführt werden müssen. Das ist cum grano salis ein Modell für die Vakuumenergie als fundamentales Datum und auch für gravitationelle Feldtheorien mit der Materie bzw. dem Kraftfeld als absolutem, Raum und Zeit formendem Bezugssystem.

Auch das heute v.a. über die Kopenhagender Interpretation der Quantentheorie hereinkommende Lehrstück von Raum und Zeit als komplementär und/oder primär biologischen Anschauungsformen und kognitiven Konstrukten ist natürlich in der Tradition vorgedacht, namentlich bei Leibniz und Kant. Interessanterweise auch bei dem theologisch hochinteressierten Newton, der Raum und Zeit zwar nicht der phänomenalen Anschauung endlicher kognitiver Lebensformen zuordnet, wohl aber sie ontologisch in der Anschauung des allgegenwärtigen Gottes begründet sein lässt, "in dem wir leben, uns bewegen und sind" (Apostelgeschichte 17, 27—28, wo Paulus die Cretica des Philosophen Epimenides aus dem 7./6. Jh. v. C. zitiert, mit Solon Schöpfer der athenischen Verfassung).

Zurück zu den Symmetrien: Es werden drei Klassen von Symmetrien unterschieden, die in den folgenden Abschnitten im Überblick vorgestellt werden. Eine ausführlichere Darstellung kann über diese Verknüpfung heruntergeladen werden:

Physik1_Symmetrien_Mod.pdf

Geometrische Symmetrien

Geometrische Symmetrien beziehen sich auf Raum und Zeit, Sie besagen die Identität und Invarianz von Raum und Zeit gegenüber Verschiebungen und Spiegelungen:

Raumspiegelsymmetrie oder Parität (P),  Zeitspiegelsymmetrie (T), Ladungssymmetrie (C ) = Basis für die elementarsten Gesetze der Physik wie Impuls-, Drehimpuls-, Energieerhaltungssatz: Identität und Invarianz der Gesetze der Physik gegenüber Verschiebungen und Spiegelungen in Raum und Zeit.

Abstrakte Eichsymmetrien

Abstrakte Eichsymmetrien sind Eichkonstanten von physikalischen Größen wie Ladung und Spannung. Diese Konstanten sind die Basis (a) für elementare Gesetze wie den Ladungserhaltungssatz und (b) für die partiellen Vereinheitlichungen der Grundkräfte mit der speziellen Relativitätstheorie (Quantenfeldtheorien): Spezielle Relativität + Elektromagnetismus [und Schwache Kernkraft] = Quantenelektrodynamik (QED) [mit Schwacher Kernkraft: Elektroschwache Wechselwirkung]; Spezielle Relativität + Starke Kernkraft = Quantenchromodyamik (QCD); QED + QCD = Große Vereinheitlichte Theorie (GVT oder GUT)

Spekulative Erweiterungen

Spekulative Erweiterungen hinsichtlich physikalischer Symmetrien beabsichtigen eine theoretische Vereinheitlichung der Quantentheorie diskreter Elementarteilchen mit dem kontinuierlichen Gravitationsfeld der allgemeinen Relativitätstheorie. Diese Spekulationen liegen jenseits der empirischen, experimentellen Physik. Sie sind im Grundsätzlichen wie die zuletzt genannten Quantenfeldtheorien quantisierte Feldtheorien. Quantenfeldtheorien sind dabei Vereinheitlichungen von Quantentheorie und spezieller Relativitätstheorie, die ultimativ in der sog. Großen Vereinheitlichten Theorie (GVT oder GUT) gipfeln (s.o.). Hier geht es hingegen um die Vereinheitlichung von Quantentheorie und allgemeiner Relativitätstheorie, welche in der Quantengeometrodynamik (QGD) oder den Folgemodellen der String-Theorie und Schleifenquantengravitation gipfelt (s.u.):

(1) Geometrische Supersymmetrie (SUSY): Vereinheitlichung der Elementarteilchen der Materie und der Trägerteilchen der Grundkräfte (Fermionen + Bosonen) in einem 8-dimensionalen Hyperraum. Jedem Teilchen wird dabei ein hypothetischer supersymmetrischer Partner aus dem jeweils alternativen Bereich (Materie bzw. Kräfte) zur Seite gestellt, in den er verwandelt werden kann. In Verbindung mit der sog. Kaluza-Klein-Theorie: Vereinheitlichung der Grundkräfte in einem 11-dimensionalen Hyperraum, wird sie manchmal gesehen als der Versuch der Eingemeindung der Quantenmechanik in die Relativitätstheorie.

(2) Eichtheoretische Supergravitationstheorie (SUGRA): Vereinheitlichung von GVT (etwa in Form der Supersymmetrie) und Schwerkraft (allgemeine Relativitätstheorie). Bekannt ist namentlich die von John Wheeler entwickelte Quantengeometrodynamik (QGD). Es handelt sich um die Vereinheitlichung der Grundkräfte und Elementarteilchen ebenfalls meistens in einem 11-dimensionalen Hyperraum.

Der langjährige Generaldirektor von CERN kommentiert diese Theorien so: "Das Bild ist ... das: Aus den [geometrischen] Symmetrien ergeben sich die Eichfeld-Symmetrien, ergeben sich die Felder, aus den Feldern das Elementarteilchenspektrum mit seinen Eigenschaften [...] Einfacher formuliert [...]: Aus den Symmetrien folgen die Kräfte, und die Kräfte bestimmen die Teilchen." (Schopper: Was heißt Materie?, a.a.O., 49) [Foto links, Aufnahme CERN: Herwig Schopper, 1973—1980 Vorsitzender des Direktoriums des Deutschen Elektronen-Synchrotrons DESY, die weltweit wegweisende und ursprünglich größte Anlage zur Teilchenbeschleunigung, 1981—1988 Generaldirektor des heute größten Forschungszentrums der Teilchenphysik CERN, 1994—1996 Präsident der European Physical Society]

Diese spekulativen Erweiterungen (1) und (2) haben jedoch schwerwiegende Probleme mit (a) der Händigkeit (Chiralität, Paritätsverletzung) der Schwachen Kernkraft, die eine ungerade Anzahl von Raumdimensionen fordert (z. B unseren 3-dimensonalen Raum), was im Fall des 11-dimensionalen Hyperraums nicht gegeben ist (= 10 Raumdimensionen + 1 Zeitdimension); (b) unendlichen großen Termen bei Vereinheitlichungen + Anomalien (Zusammenbruch von Symmetrien / Erhaltungssätzen bei quantenmechanischer Umformulierung).

Neue spekulative Lösungswege durch Rückgang von atomaren Größenordnungen
(10^-13 m) auf noch kleinere Dimensionen bis zur sog. Plancklänge (10^-35 m):

(3) (Super-)String-Theorie: Vereinheitlichung der Grundkräfte und Elementarteilchen in der Planckdimension durch ein Saiten[Strings-]modell der ultimativen Realität in einem 10- oder 11-dimensionalen Raum. Der Zusatz 'Super' bedeutet, dass die String-Theorie die Annahmen der Supersymmetrie akzeptiert bzw. akzeptieren muss.

(4) Membrantheorie: Vereinheitlichung der Kräfte und Teilchen in der Dimension von 10^-14 m bis 10^-19 m durch ein Mikromembranmodell des Kosmos und der Realität. Die aktuellste Entwicklung im spekulativen Ansatz der String-Theorie ist die Membrantheorie (M-Theorie oder auch Matrix) von Edward Witten, welche die String-Theorie mit der o.g. Supergravitation vereinigen soll. Letzte Bestandteile sind hier nicht eindimensionale — wie Elektronen schwingende — Filamente oder Fäden (strings), sondern zweidimensionale, flächige — ebenfalls schwingende — Membranen, welche Branen genannt werden.

(5) Schleifenquantengravitation (Loop-Gravitationstheorie oder auch Quantengeometrie): Vereinheitlichung der Grundkräfte und Elementarteilchen in der Planckdimension durch ein Mikronetzwerk-Modell der ultimativen physikalischen Realität ohne zusätzliche Raumdimensionen. Angedacht wurde dieses spekulative Modell von dem indisch-amerikanischen Kosmologen Abhay Vasant Ashtekar und von Lee Smolin. Die Grundidee ist, dass das kontinuierliche Raum-Zeit-Gravitationsfeld bei sehr starken Gravitationsfeldern im Bereich der Plancklänge eine Körnung aufweist, also aus diskreten physikalischen Entitäten oder diskontinuierlichen Quanten besteht. Diese werden Schleifen (loops) genannnt, sind aber eigentlich Volumenquanten von 10⁻⁹⁹ Kubikzentimetern (Planck-Länge hoch drei) und bilden ein dynamisches Knoten- oder Spin-Netzwerk, das in gleichfalls diskreten Zeitpaketen von 10⁻⁴³ Sekunden zwischen Ordnung und Chaos pulsiert, was metaphorisch als tickender Raumzeitschaum bezeichnet wird. Die Volumenquanten entsprechen in etwa dem sonst gebräuchlichen Begriff Graviton. Ein besonders produktiver Vordenker ist hier derzeit Thomas Thiemann (Universität Erlangen), der u.a. an der Vereinheitlichung von Quantengeometrie und String-Theorie arbeitet, welche eine Alternative zu Wittens Matrix ohne die problematischen Postulate der Extradimensionen und der Supersymmetrie wäre.

Es ist anzumerken, dass die in Rede stehenden spekulativen Erweiterungen physikalischer Symmetrien in der Physikerkommunität auch heftigste Kritik und Ablehnung erfahren. Namentlich gilt dies für die String-Theorie und die Mehrfachweltentheorie und das Programm der großen Vereinheitlichung, welche als Abdriften in die Esoterik und Pseudowissenschaft (junk-science) interpretiert werden. Die bekanntesten und prominentesten Kritiker hinsichtlich der String-Theorie sind L. Smolin: Die Zukunft der Physik: Probleme der String-Theorie und wie es weitergeht, München 2009 [orig. The Trouble with Physics, The Rise of String Theory, the Fall of a Science, and What Comes Next, New York 2006], sowie Peter Woit: Not Even Wrong. The Failure of String Theory and the Search for Unity in Physical Law, New York 2007.

Unabhängig von dieser Kontroverse hier abschließend wiederum eine philosophische Bewertung der Symmetrien in der Physik durch Herwig Schopper: "Wir sind ... dabei, uns von der Philosophie Demokrits [460—371 v. C., Begründer des atomistischen Materialismus] mit seinen unteilbaren Atomen zu entfernen, und nähern uns derjenigen Platos, denn der Begriff der Symmetrie steht den platonischen Ideen ohne Zweifel sehr viel näher als den Atomen Demokrits. Das ist vielleicht die wichtigste Erkenntnis der Elementarteilchenphysik: Wir müssen Abschied nehmen von einem materialistischen Weltbild, das auf letzten unzerstörbaren Materiebausteinen beruht, und müssen es ersetzen durch eines, das auf ideellen Begriffen basiert." (Schopper: Was heißt Materie?, a.a.O. 23)

Weiterführende Literatur zur Symmetriediskussion: Davies, P. C. W. / Brown, J. R. (1989) Superstrings. Eine allumfassende Theorie?, Basel / Boston / Berlin [Orig: Superstrings: A Theory of Everything?, Cambridge University Press 1988/²1992]; Arkani-Hamed, N. / Dimopoulos, S. / Dvali, G. (2000) Die unsichtbaren Dimensionen des Universums. In: Spektrum der Wissenschaft 10/2000, 44—51; Smolin, L. (1997) The Life of the Cosmos, London; Smolin, L. (2004) Quanten der Raumzeit. In: Spektrum der Wissenschaft 3/2004, 54—63; Woit, P. (2007) Not Even Wrong. The Failure of String Theory and the Search for Unity in Physical Law, New York; Smolin, L. (2009) Die Zukunft der Physik: Probleme der String-Theorie und wie es weitergeht, München 2009 [orig. The Trouble with Physics, The Rise of String Theory, the Fall of a Science, and What Comes Next, New York 2006]; Esfeld, M. (2011) Einführung in die Naturphilosophie, 2. Aufl. Darmstadt, Kap. 3, 4 und 6.

Der Geist im Atom: Quantenphysik

Als Direktor am Max-Planck-Institut für Physik und Astrophysik in München verfasste Hans-Peter Dürr eine bekannte und vielgelesene Dokumentation zur modernen Physik mit dem Titel Das Netz des Physikers (München 2000). Dort schrieb er: "Die Quantentheorie hat sich seit ihrer Formulierung vor 60 Jahren auf phantastische Weise bewährt. Sie trägt alle Merkmale einer abgeschlossenen und umfassenden Theorie, ja der umfassendsten abgeschlossenen Theorie schlechthin." (2000, 146) Sie hat "zur Herausbildung des neuen wissenschaftlichen Weltbildes geführt", das sich v.a. "dem gewaltigen Lebenswerk Werner Heisenbergs, dem genialen Hauptakteur dieses Prozesses" verdankt (2000, 134).

Die Quantentheorie zeigt eine Doppelnatur der physikalischen Realität: Alle Materie und Strahlung ist nur hinsichtlich der intrinsischen Eigenschaften Masse und Ladung eine konkrete Realität. Die Eigenschaften Masse und Ladung definieren allerdings wegen ihrer Ununterscheidbarkeit keine individuellen Objekte. Alle darüber hinaus gehenden zustands- und zeitabhängigen Eigenschaften wie Ort, Impuls und Eigendrehimpuls (spin) in jeder Raumrichtung sind sowohl (1) nichtmaterielle Welle[nfunktion] Ψ (Psi = ganzheitlicher Zustandsraum als multiple, sich überlagernde und miteinander verschränkte virtuelle Zustände) als auch (2) in Messung und Beobachtung von der Art aktueller, konkreter, lokaler raumzeitlich differenzierter mikrokosmischer Teilchen (Quanten: Elektronen, Protonen, Neutronen, Photonen usw.) oder makroskopischer Gegenstände wie Steine und Katzen. Vgl. D. Z. Albert (1992) Quantum-mechanics and Experience, Cambridge, Mass., und M. Esfeld (2002) Holismus in der Philosophie des Geistes und in der Philosophie der Physik, Frankfurt.

Zu (1): "Wenn man die quantentheoretischen Zustandsverschränkungen akzeptiert, ... dann kann man nicht mehr eine Position vertreten, gemäß der die fundamentale Ebene der Natur in intrinsischen Eigenschaften besteht, die an Punkten der Raumzeit auftreten und gemäß der allein die Relationen raumzeitlichen Abstands fundamentale Relationen sind. Man muss darüber hinaus Relationen der Zustandsverschränkung anerkennen, die ebenfalls fundamentale, irreduzible Relationen sind. Dadurch gelangt man zu einem Holismus statt Atomismus. In der Diskussion der letzten zehn Jahre ist dieser Holismus als ontischer Strukturenrealismus bekannt geworden [...] Der Strukturenrealismus bezieht sich nicht nur auf die Quantensysteme, sondern auch auf die Raumzeit [...] Die Punkte der Raumzeit sind nur aufgrund der metrischen Feldeigenschaften physikalische Objekte [...] Es gibt keine intrinsischen Eigenschaften und auch keine primitive Diesheit der Punkte der Raumzeit [...] Man kann daher sagen, dass die Punkte der Raumzeit nichts weiter als dasjenige sind, welches in den metrisch-gravitationellen Relationen steht " (Esfeld (2011) Einführung in die Naturphilosophie, Darmstadt, 69—70).

Zu (2): Die Teilchen (Quanten) als die Einzelsysteme der Quantenphysik bewahren (1) den holistischen Informationsgehalt ihres Urgrundes, der Wellenfunktion: Sie zeigen ein apriorisches Hyperwissen vom — auch zukünftigen — Verhalten anderer Teilchen. Sie bewahren (2) die ganzheitliche Wechselwirkung ihres Urgrundes in Hyperkräften wie Fernwirkung, Rückwärtsverursachung und Zeitreisen. Wegen des holistischen Charakters dieser Hyperkräfte lässt sich allerdings vertreten, dass sie eigentlich keine Ursachen sind und auch das klassische physikalische Prinzip der Nahewirkung nicht verletzen, sondern sich aus der Struktur der allgegenwärtigen ganzheitlichen Verschränkung ergeben. Vgl. Davies, P. C. W. / Brown, J. R. (1988) Der Geist im Atom. Eine Diskussion der Geheimnisse der Quantenphysik, Basel/Boston/Berlin [TB Frankfurt 1993; orig: The Ghost in the Atom: A Discussion of the Mysteries of Quantum Physics, Cambridge University Press ¹⁰2010]; P. Dowe (2010) Physical Causation, Cambridge; Audretsch, J. (2008) Die sonderbare Welt der Quanten. Eine Einführung, München und ders. (Hrsg.) (2002) Verschränkte Welt. Faszination der Quanten, Berlin.

In den Abschnitten in Folge wiederum eine Skizze der einschlägigen Hypothesen zur Erklärung dieser Doppelnatur der physikalischen Realität. Eine umfangreichere Erläuterung bietet dieses Skript:

Physik2_Quantenwirklichkeit_Mod.pdf

Kopenhagener Interpretation

Die Kopenhagener Interpretation der Quantenmechanik geht auf Niels Bohr (1885—1962, Nobelpreis 1922) zurück, den Kopenhagener Begründer der modernen Atomtheorie. Er hat diese Deutung 1926/27 zusammen mit dem damals in Leipzig tätigen Atomphysiker Werner Heisenberg (1901—1976, Nobelpreis 1932) entwickelt. [Foto links: W. Heisenberg und N. Bohr 1934] Diese heute von der Mehrzahl der Physikerkommunität geteilte Interpretation deutet den geschilderten Befund so, dass eine Subjektabhängigkeit der aktuellen Erfahrungswirklichkeit angenommen wird: Aktuelle phänomenale Teilchen und Dinge entstehen durch Abgreifen, Verdichten, Fixieren bestimmter Eigenschaften virtuell-holistischer Quantensysteme bei Beobachtung, Kognition und Handeln inkl. Messen und Experimentieren. Dies lässt die für uns nur virtuelle und lokal nicht determinierte, in sich aber als Ganzheit aller verschränkten  Zustandsüberlagerungen reale und determinierte Wellenfunktion kollabieren, und zwar in einen lokal determinierten Eigenzustand der beobachteten oder gemessenen Observablen (Merkmale): Mind over matter. Welcher lokal determinierte Eigenzustand der beobachteten oder gemessenen Observablen dabei zustande kommt, ist nicht deterministisch festgelegt und vorhersagbar, sondern nur mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit verbunden. Deswegen "ist die Quantentheorie die erste grundlegende physikalische Theorie, die einen Indeterminismus und einen objektiven Zufall zuzulassen scheint." (Esfeld a.a.O. 2011, 54—55)

H.-P. Dürr, der schon erwähnte Schüler und Nachfolger von Werner Heisenberg, drückt das so aus: "Aus quantenmechanischer Sicht gibt es also keine zeitlich durchgängig existierende objektivierbare Welt, sondern diese Welt ereignet sich gewissermaßen in jedem Augenblick neu [...] Die Gegenwart bezeichnet den Zeitpunkt, wo Möglichkeit zur Faktizität, zur Tatsächlichkeit gerinnt [...] Dies hängt zusammen mit dem Akt einer Messung, die, wie man sich ausdrückt, zu einem Kollaps des Wahrscheinlichkeitswellenpakets [...] führt" (Das Netz des Physikers, München 2000, 39—40, 43).

Ergänzend ist Folgendes festzuhalten: "Diese Kipp-Prozesse, dieses Ingangsetzen von irreversiblen Prozessen mit makroskopischen Endstrukturen, passiert jedoch [...] auch ohne unser Zutun [...] Trotz Quantenmechanik fahren wir Auto oder fliegen wir in einem Flugzeug in der festen und ... berechtigten Überzeugung, daß diese Transportmittel in ihrem Bewegungsverhalten ausreichend determiniert sind und deshalb auch durch geeignete Manipulationen des Fahrers oder Piloten beherrscht werden können. Dieses deterministische Verhalten der Materie ergibt sich nämlich für die meisten Objekte unseres Alltags trotz quantenmechanischer Grundstruktur als extrem gute Näherung. Für diese im Vergleich zu Atomdimensionen riesengroßen Systeme mittelt sich nämlich das unbestimmte Verhalten der einzelnen Atome, aufgrund ihrer großen Anzahl, fast gänzlich aus. Es ist hier etwa so, als ob wir jeweils gleichzeitig mit etwa 10²⁴ Würfeln würfeln würden. Nach der Wahrscheinlichkeitstheorie würden in diesem Fall Abweichungen vom exakten gleichen Auftreten aller Augenzahlen nur etwa (1 durch Wurzel aus 10²⁴) x 100 % ... also ein zehnmilliardstel % betragen." (Das Netz des Physikers, München 2000, 43—45; siehe dazu in Folge auch die jüngste Deutung der Quantentheorie, die GRW-Dynamik oder Realistische Kollapsdeutung)

Hier ein weiterführendes Thesenpapier zur vielleicht besten Darstellung der Kopenhagener Interpretation durch den Vater der Quantenmechanik selbst, Werner Heisenberg:

Heisenberg_Ordnung.pdf

Alternativen: Lokale / globale verborgene Variable

Gegenhypothesen zur Kopenhagener Deutung und zur Quantentheorie überhaupt postulieren verborgene Variable zur Erklärung der herausfordernden Phänomene. Es sind zwei bzw. drei Ansätze zu unterscheiden:

(1) Einstein-Podolski-Rosen-Theorie der Quantenmechanik: Erklärung des aus der globalen Verschränkung resultierenden Hyperwissens und der Hyperkräfte der Quanten durch noch unbekannte konventionelle physikalische Faktoren (lokale verborgene Variable). Gilt als theoretisch (Bell'sche Ungleichungen) u. experimentell widerlegt. Vgl. für eine kompakte Darstellung Esfeld 2011, 62—65.

(2) Weiterentwicklung in der Quantenpotenzialerklärung der Quantenmechanik (Bohm, Auyang, Smolin, i.w.S. auch Popper): Im holistischen Quantenfeld ist die Gesamtrealität (Information) des Universums nicht nur potenziell, sondern objektiv-aktuell, aber für unsere Wahrnehmung und Erfahrung nicht direkt zugänglich kodiert (globale verborgene Variable; vgl. O. Passon (2010) Bohmsche Mechanik. Eine elementare Einführung in die deterministische Interpretation der Quantenmechanik, Frankfurt a. M.). Diese Erklärung speziell in der Bohm'schen Fassung ist auf die Annahme (i) eines objektiven raum-zeitlichen Bezugssystems und (ii) von Fernwirkungen jenseits der Lichtgeschwindigkeit verpflichtet und daher nichtrelativistisch. Auch hier konnten grundsätzliche Grenzen dieses Versuches einer klassischen deterministischen Interpretation der Quantentheorie aufgezeigt werden (Kochen-Specker-Theorem).

(3) Die sogenannte Statistische oder Ensemble-Interpretation betrachtet die Quantenmechanik als eine noch unvollständige Theorie, welche bisher nur statistisch gültig ist, aber keine Erklärung des Einzelfalls erlaubt. Das ist natürlich eine sehr anspruchslose minimalistische Deutung, die in der Regel mit den obigen Hypothesen (1) und (2) zusammen vertreten wird bzw. von allen Theorien verborgener Parameter impliziert wird.

Weiterentwicklungen der Quantentheorie

Die Quantentheorie speziell der Kopenhagener Deutung wurde angesichts der Kritiken und alternativen Deutungsversuche weiter modifiziert.

(1) Vor allem zu nennen ist hier das sogenannte Dekohärenz-Programm, das quantenmechanische Ereignisse nicht isoliert, sondern eingebettet in ihre Umgebung beschreibt und so bekannte Paradoxa wie Schrödingers Katze u.a. vermeiden will. Letztlich ist dieses Dekohärenzprogramm eine Variante der in Folge vorzustellenden Mehrfachweltenerklärung. Man gibt dabei die sogenannte Zustandsreduktion, d.h. den Kollaps des holistischen verschränkten Wellenpaketes zu einem durchbestimmten, wahrnehmbaren lokalen Eigenzustand auf. Man geht aber weiterhin von der Überlagerung aller möglichen definiten Zustände des holistischen verschränkten Wellenpaketes aus (Zustandsverschränkung, Superposition). Man behauptet aber, dass diese Zustände in zahllosen, sich jeden Augenblick billionenfach, trillionenfach usw. weiter verzweigenden Paralleluniversen existieren. Hiervon nehmen wir nur den Pfad unserer eigenen Lebensbahn wahr, die sich gleichfalls fortlaufend in billionenfache, trillionenfache usw. Doppelgängerbiographien samt ihrem holistischen Gesamtkontext aufspaltet. Diese Sicht ist natürlich um Dimensionen herausfordernder und haarsträubender als die ursprüngliche Kopenhagener Deutung und auch wissenschaftsphilosophisch nicht wirklich belastbar: Sie löst das sog. Messproblem nicht, da sie keine Erklärung der Kondensierung (Reduktion) potenziell-impliziter Quantensysteme (mit Superposition vieler virtueller Zustände) zu eindeutigen aktuellen Dingen unserer Wahrnehmung bietet (vgl. Esfeld 2011, 71—75 und in Folge). Die extravagante Multiversumspekulation ist ferner für den Naturalismus ähnlich herausfordernd wie die Annahme Gottes. Das Multiversum wäre als unendliche Totalität, Komplexität und zugleich Einheit quasi ein Modell des Absoluten, ein mindestens pantheistischer Gott.

Zum Hintergrund: Mehrfachweltenerklärungen der Quantenmechanik machen die sehr kühne Annahme: Alle Alternativen des globalen abstrakten Möglichkeitsraumes der Quantenrealität existieren aktuell und/oder jeder kognitive und operative Eingriff führt zu einer neuen Verzweigung (Ablegeruniversum).

Kritiker wenden dagegen ein, dass es sich um eine rein spekulative Einführung von Abermilliarden, unendlich vielen realen Universen handele. Dass dieser spekulative Fantasie & Fabel-Kosmos also alles das verrate, wofür die Naturwissenschaft einmal angetreten sei und wofür sie stehe: Beobachtung, Experiment, Beweis, Nachprüfbarkeit. Und dass sie, wie oben erwähnt, v.a. keine Erklärung, nur eine mögl. Beschreibung der Kondensierung potenziell-impliziter Quantensysteme (Kollaps der Wellenfunktion) zu aktuellen Dingen unserer Wahrnehmung sei. [Foto rechts: Max Tegmark (MIT), einer der Vordenker der Mehrfachweltenhypothese. Er versteht das Multiversum ultimativ als platonisches Ideenuniversum.]

Die Multiversumtheorie nimmt ein unendliches Universum an und unterscheidet 4 Stufen von Paralleluniversen: (1) unendlich viele Kopien unseres Universums: andere Anfangsbedingungen, identische kosmololog. Eigenschaften und Naturgesetze; (2) unendlich viele Universen mit anderen Anfangsbedingungen und Eigenschaften, aber identischen Naturgesetzen; (3) Unendlich-dimensionaler abstrakter, zeitloser quantenmechanischer Zustandsraum (= quantenmechanische Darstellung von (1) und (2); (4) unendlich viele Universen mit anderen Anfangsbedingungen und Eigenschaften und Naturgesetzen = absolute Summe aller begrifflich-mathematisch möglichen Strukturen oder Weltformeln (= platonische Ideenwelt als eigentliche ultimative Realität)

Hier eine ausführlichere Orientierung und fachübergreifende Erörterung zur Mehrfachweltentheorie:

Physik3_Multiversumtheorie_Modifiziert.pdf

(2) Die zweite maßgebliche Weiterentwicklung der Quantentheorie ist die GRW-Dynamik oder das Dynamical Reduction Program (DRP), auch bekannt unter dem Begriff Realistische Kollapsdeutung. Sie geht auf die italienischen Physiker GianCarlo Ghirardi, Alberto Rimini und Tullio Weber zurück. Sie fand schnell auch die Unterstützung durch John Stewart Bell. Vgl. den Überblick 'Collapse Theories' von GianCarlo Ghirardi in der Stanford Encyclopedia of Philosophy. Dort gibt Ghirardi als die für GRW maßgebliche Problemstellung an, dass die Quantenmechanik trotz ihrer enorm großen Erfolge die makroskopische Welt nicht wirklich zu erklären vermöge. Dass sie v.a. nicht zeigen könne, wo die Grenze liegt zwischen der linearen, global-deterministischen, umkehrbaren Mikrowelt der Quanten (beschrieben durch die Schrödinger-Gleichung auf der Ebene der virtuellen Wellenfunktion) und der nichtlinearen, offenen, unumkehrbaren Makrowelt unserer Erfahrung (postuliert als Kollaps der Wellenfunktion zu einem definiten Zustand):

"Even if one were to accept that quantum mechanics has a limited field of applicability, so that it does not account for all natural processes and, in particular, it breaks down at the macrolevel, it is clear that the theory does not contain any precise criterion for identifying the borderline between micro and macro, linear and nonlinear, deterministic and stochastic, reversible and irreversible. To use J.S. Bell’s words, there is nothing in the theory fixing such a borderline and the split between the two above types of processes is fundamentally shifty. As a matter of fact, if one looks at the historical debate on this problem, one can easily see that it is precisely by continuously resorting to this ambiguity about the split that adherents of the Copenhagen orthodoxy or easy solvers (Bell: Against ‘measurement’. In: Sixty-Two Years of Uncertainty, A. Miller (ed.), New York, 1990) of the measurement problem have rejected the criticism of the heretics (Gottfried: Does Quantum Mechanics Carry the Seeds of its own Destruction?. In: Quantum Reflections, D. Amati et al. (eds), Cambridge 2000)."

Ziel von GRW ist nun, die virtuelle Mikro- und die konkrete Makrowelt in einer einzigen Theorie, der GRW-Gleichung (eine Modifikation der Schrödinger-Gleichung), zu beschreiben, die von dem Fakt millionenfacher spontaner Zustandsreduktionen oder spontanem Kollaps der Wellenfunktion auf der Makroebene ausgeht: "A microscopic system undergoes a localization, on average, every hundred million years, while a macroscopic one undergoes a localization every 10⁻⁷ seconds." Das erlaubt die Beibehaltung einer realistischen Ontologie der Makroobjekte, da deren Existenz nicht von Beobachtung und Messung abhängt: "The Collapse Models show how one can work out a theory that makes perfectly legitimate to take a macrorealistic position about natural processes, without contradicting any of the experimentally tested predictions of standard quantum mechanics." Esfeld 2011, 76, beschreibt den Ansatz so:

"GRW führen begrifflich Zustandsreduktionen in Form spontaner Lokalisationen von Quantensystemen ein, das heißt spontaner Erwerb eines relativ definiten Wertes des Ortes. Formal beschreiben GRW die spontanen Lokalisationen, indem sie ... die Schrödinger-Gleichung um einen stochastischen Term ergänzen, der für ein einziges Quantensystem in Isolation eine extrem geringe Wahrscheinlichkeit angibt, dass dieses Quantensystem sich spontan lokalisiert. Wenn man aber ein Gesamtsystem betrachtet, das aus sehr vielen Quantensystemen besteht — wie zum Beispiel ein makroskopisches System wie eine Katze —, dann ist die Wahrscheinlichkeit extrem hoch, dass eines dieser Quantensysteme in extrem kurzer Zeit eine spontane Lokalisation ausführt. Aufgrund der Zustandsverschränkungen sind dann, wenn eines dieser Systeme sich spontan lokalisiert, alle anderen Systeme ebenfalls lokalisiert [...] Mit der spontanen Lokalisation nehmen dann auch alle anderen zustandsabhängigen Eigenschaften von Quantensystemen quasidefinite nummerische Werte an. Der große Vorteil von GRW ist, Zustandsreduktionen in Form spontaner Lokalisationen begrifflich und formal präzise so einzuführen, dass sie unabhängig von Messungen sind [...] Generell gesagt besteht das Hauptargument für GRW darin, einen physikalisch und mathematisch präzisen Weg zu bahnen, der es ermöglicht, die Zustandsverschränkungen der Quantentheorie anzuerkennen — also nicht in eine Alternativtheorie mit verborgenen Parametern auszuweichen — ohne dadurch auf die extravagante Ontologie unendlich vieler, parallel existierender Zweige des Universums festgelegt zu sein." 

Wer die aktuelle Diskussion ausführlicher kennen lernen und wissenschaftlich vertiefen will, kann dies tun bei U. Meixner: Philosophische Anfangsgründe der Quantenphysik, Frankfurt et al. 2009 sowie bei Friebe / Kuhlmann / Lyre: Philosophie der Quantenphysik. Einführung und Diskussion der zentralen Begriffe und Problemstellungen der Quantentheorie für Physiker und Philosophen, Berlin / Heidelberg 2015.

Weiterführende Literatur zur Quantentheorie: Davies, P. C. W. / Brown, J. R. (1988) Der Geist im Atom. Eine Diskussion der Geheimnisse der Quantenphysik, Basel/Boston/Berlin [TB Frankfurt 1993; orig: The Ghost in the Atom: A Discussion of the Mysteries of Quantum Physics, Cambridge University Press ¹⁰2010]; Weizsäcker, C. F. v. (1941/42) Das Verhältnis der Quantenmechanik zur Philosophie Kants. In: Die Tatwelt 17, 66—98; Reichenbach, H. (1949) Die philosophischen Grundlagen der Quantenmechanik, Basel; Popper, K. R. (1989) Logik der Forschung, Tübingen, Kap. 9: Bemerkungen zur Quantenmechanik, 167—197; Haag, R. (1992) Local Quantum Physics, Berlin; Albert, D. Z. (1992) Quantum-mechanics and Experience, Cambridge, Mass; Sklar, L. (1993) Physics and Chance. Philosophical Issues in the Foundations of Statistical Mechanics, Cambridge; Heisenberg, W. (1994) Quantentheorie und Philosophie, Stuttgart; Bitbol, M. (1996) Schrödinger's Philosophy of Quantum Mechanics, Dordrecht; Dowe, Ph. (2010) Physical Causation, Cambridge; Audretsch, J. (Hrsg.) (2002) Verschränkte Welt. Faszination der Quanten, Berlin; Audretsch, J. (2008) Die sonderbare Welt der Quanten. Eine Einführung, München; Elsfeld, M. (2002) Holismus in der Philosophie des Geistes und in der Philosophie der Physik, Frankfurt; Cale (2003) The Kantian Element in the Copenhagen Interpretation of Quantum Mechanic, Phil. Diss.: Duquesne University; Tegmark, M. (2003) Paralleluniversen. In: Spektrum der Wissenschaft 8/2003, 34–45; Putnam, H. (2005) A Philosopher Looks at Quantum Mechanics (Again). In: The British Journal for the Philosophy of Science 56, 615—634; Pringe, H. (2007) Critique of the Quantum Power of Judgment. A Transcendental Foundation of Quantum Objectivity, Berlin / New York; Meixner, U. (2009) Philosophische Anfangsgründe der Quantenphysik, Frankfurt a. M. et al.; Kuhlmann, M. (2010) The Ultimate Constituents of the Material World. In Search of an Ontology for Fundamental Physics, Frankfurt a. M.; Passon, O (2010) Bohmsche Mechanik. Eine elementare Einführung in die deterministische Interpretation der Quantenmechanik, Frankfurt; Esfeld, M. (2011) Einführung in die Naturphilosophie, 2. Aufl. Darmstadt, Kap. 5, 47—83; Friebe, C. / Kuhlmann, M. / Lyre, H. et al. (2015) Philosophie der Quantenphysik, Berlin / Heidelberg.

Spezielle Relativitätstheorie zu Raum und Zeit

Vorbemerkungen

Im Bewusstsein der Gegenwart wird beim Thema Raum und Zeit insbesondere die spezielle Relativitätstheorie erinnert, um 1905 entwickelt von Henri Poincaré (1854—1912, Präsident der französischen Akademie der Wissenschaften in Paris) und Albert Einstein (1914—1932 Direktor des Kaiser-Wilhelm-[heute: Max-Planck-]Institutes für Physik in Berlin; 1932—1955 am Institute for Advanced Study in Princeton, Nobelpreis 1921). Die mathematische Vorarbeit stammte von dem seinerzeit führenden theoretischen Physiker Hendrik A. Lorentz (1853—1928, Nobelpreis 1902), der darüber hinaus — wie auch Poincaré — eine eigenständige physikalische Interpretation zur Relativitätsdiskussion vorlegte. Ausgangspunkt für die Relativitätsdiskussion waren einmal experimentelle Beobachtungen zur Geschwindigkeit der Ausbreitung von elektromagnetischer Strahlung und insbesondere sichtbarem Licht. Und zum anderen die Transformation einzelner physikalischer Größen bei zwei oder mehr extrem schnell bewegten Objekten bzw. Inertialsystemen (= ruhende oder gleichförmig und geradlinig bewegte Bezugssysteme), wenn man das Bezugssystem wechselt.

Die Experimente zur Geschwindigkeit des Lichtes hatten zum Ausgangspunkt die Frage, ob Licht bzw. allgemeiner elektromagnetische Strahlung ein Trägermedium benötigt wie die Schallwellen oder Wasserwellen. Man stellte die Hypothese auf, dass der Weltraum kein reines Vakuum sein müsse, sondern einen extrem feinen Stoff, den in der Physik seit Alters her verhandelten Äther, aufweisen könne, der Träger der Lichtwellen wäre. Entsprechende Versuche zum Nachweis eines Äthers waren nicht rein negativ, wurden aber so gedeutet (siehe in Folge), dass Licht kein Medium benötige. Sie ergaben ferner, dass die Lichtgeschwindigkeit faktisch in unserem Erfahrungsraum konstant ist.

Die Experimente zu bewegten, elektromagnetisch geladenen Objekten (und darüber hinaus gehende Gedankenspiele) zeigten, dass von einem ruhenden (oder auch gegenläufig bewegten) Beobachter aus Objekte, die sich in einem anderen geschlossenen Bezugssystem (Fahrzeug, Flugzeug, Raumschiff, Planet, Teilchenbeschleuniger etc.) extrem schnell bewegen, sich rechnerisch und / oder perspektivisch verkürzen (Lorentzkontraktion), einer rechnerischen und / oder phänomenologischen Zeitdehnung (Zeitdilatation) unterliegen und ihre als Masse-Variante deutbare kinetische Energie in der Messung zunimmt (Energie-Masse-Formel).

Relativitätstheorien sind nun letztlich, wie sich in Folge zeigen wird, physikalische Interpretationen dieser rechnerischen Konstrukte und / oder perspektivischen Veränderungen. Sie sind — soweit experimentell zugänglich — wie ihr mathematisches Handwerkszeug, die Lorentztransformation, in der physikalischen Kinematik, Dynamik und Elektrodynamik zuhause. Sie sind eine Auskristallisierung der Maxwell'schen Theorie des Elektromagnetismus, wie Einstein einmal pars pro toto sagt. Von intelligenten Kritikern wurde die Vermutung geäußert, dass die wirklich zweifelsfreien experimentellen Anstöße und Beweise für relativistische Phänomene nur zeigen, dass (i) Maxwell in bestimmten Fällen durch die Lorentztransformation verbessert oder präzisiert werden muss. Und dass (ii) die rechnerische und / oder phänomenale Lorentzkontraktion und Zeitdilatation eine Heuristik und ein Äquivalent für tatsächliche physikalische Kräfte und Prozesse im Rahmen der klassischen Physik sind. Wir werden im folgenden Kapitel zur Allgemeinen Relativitätstheorie sehen, dass heute eine ausgearbeitete klassische Reformulierung der Relativitätstheorie Einsteins vorliegt, die genau diese Vermutung bestätigt und die relativistischen Effekte allein mit den Mitteln der Galileischen Raum-Zeit-Physik im Euklidischen Raum erklärt. Sie lässt die bisherigen physikalischen Interpretationen als unnötig kompliziert und wirklichkeitsfremd erscheinen.

Der fundamentale Ausgangspunkt der Einstein‘schen Fassung ist, dass die Lichtgeschwindigkeit nicht nur faktisch, soweit wir sie experimentell überprüfen können, konstant ist (ca. 300.000 km/sec), sondern dass sie eine apriorische Naturkonstante ist, die im gesamten Universum und damit buchstäblich universell als absolutes Axiom gilt. Führende Physiker, Messtechniker und Wissenschaftstheoretiker haben dies stets und immer wieder als einen hoch problematischen Schritt angesehen. So ist nach der Schleifenquantengravitation, der Konkurrenztheorie der String-Theorie, die Lichtgeschwindigkeit nicht konstant, sondern abhängig von der Wellenlänge des Lichtes: Die Lichtgeschwindigkeit gilt hier nur im Grenzbereich hoher Wellenlängen (kleiner Photonenenergien).

Ein weiteres Eckdatum der Interpretation Einsteins ist die These, dass o.g. Längenkontraktion, Zeitdehnung und Massezunahme nicht nur rechnerische Konstrukte bzw. Fiktionen sind — so Poincaré — oder subjektive Perspektiven resp. virtuelle Simulationen des lokalen Beobachters oder Experimentators — so im Blick auf die Zeitdilatation Lorentz —, sondern objektive Realität haben. Oder anders formuliert: Das jeweilige rechnerische Konstrukt bzw. die jeweilige perspektivische Wahrnehmung oder Messung qua Phänomen ist objektive Realität in der Sphäre der Dinge an sich. Was wiederum bedeutet, dass die Größe, Dauer und Masse von Objekten mit der Geschwindigkeit und dem Standort variiert, relativ wird. Infolgedessen gibt es auch keinen einheitlichen, einzigen Raum bzw. eine einheitliche Zeit, auch wenn dies in der Beweispraxis nicht konsequent durchzuhalten ist.

Allerdings wird in der unten vorzustellenden zweiten Version der speziellen Relativitätstheorie (und in veränderter Form in der allgemeinen Relativitätstheorie) wieder eine objektive Zeit (und Größe und Masse) postuliert, so dass man hier in der Diskussion differenzieren muss.

Einsteins Deutung gipfelt in der These, dass nicht nur die objektive Länge und Dauer der bewegten Objekte relativ zum Bezugssystem ist — so wenigstens die erste Fassung der speziellen Relativität —, sondern dass auch die Maßstäbe der Längenmessung und Zeitmessung konsequent relativ sind — wiederum wenigstens nach der ersten Fassung der speziellen Relativität. Hier war bzw. ist der Widerspruch aus der Physikergemeinschaft, aber auch besonders aus der Wissenschaftstheorie, sehr stark.

Im allgemeinen werden in Studium und Lehre heute diese Kontroversen eingeklammert, was mit wissenschaftssoziologischen Faktoren zu tun hat: Der Experte Nr. 1 für physikalische Längen- und Zeitmessung Louis Essen (1908—1997) erzählt in seinen Memoiren, dass praktisch alle Physikerkollegen ihm erklärten, die spezielle Relativitätstheorie nicht zu verstehen, sondern nur der etablierten Meinung zu glauben (vgl. R. Essen: The Birth of Atomic Time. Includes the Memoirs of Louis Essen, Peterborough 2015, chap. 6: Relativity, 73—82).

Moderne Standards der Zeit- und Längenmessung

Essen, Physiker des britischen National Physical Laboratory (NPL), ist der Vater der Caesium-Atomuhr und damit des heutigen internationalen Zeitstandards und er hat mit der exakten Vermessung der Lichtgeschwindigkeit und des Lichtjahres auch die Längenmessung revolutioniert und einen neuen weltweit geltenden Längenstandard definiert. Als Essen zur Überzeugung kam, dass die maßgeblichen Relativitätstheoretiker H. Dingle und W. H. McCrea die Relativitätstheorie mit unlogischen Gedankengängen gegensätzlich deuteten, evaluierte er dieselbe und widmete dem Thema eine Reihe von Aufsätzen in dem führenden Wissenschaftsperiodikum Nature sowie ein eigenes Buch: The Special Theory of Relativity: A Critical Analysis, Oxford University Press 1971. Essen: "Much of the discussion about the theory was concerned with the readings of clocks when they are moving relatively to each other, and since I had a wide experience of comparing clocks and measuring time it seemed to be almost a duty to take a closer interest in the controversy [...] I had more practical experience in these matters than all the relativitists put together." (a.a.O. 2015, 73f) [Foto links: Louis Essen (rechts) mit dem deutschen Experten für Zeitmessung und Erfinder der Quartzuhr Prof. Udo Adelsberger, Physikalisch-Technische Bundesanstalt Braunschweig (PTB)]

Das Fazit des "Time Lord" (The Guardian): "I concluded that the theory is not a theory at all, but simply a number of contradictory assumptions together with actual mistakes" (Brief v. 25.03.1984 an den Physikerkollegen Dr. C. Zapffe). Dazu aus Essens Memoiren das Folgende:

"It is always better to refer to the original papers rather than to second hand accounts and I, therefore, studied Einstein’s famous paper, often regarded as one of he most important contributions in the history of science. Imagine my surprise when I found that it was in some respects one of the worse papers I had ever read. The terminology and style were unscientific and ambiguous; one of his assumptions is given on different pages in two contradictory forms, some of his statements were open to different interpretations and the worst fault in my view, was the use of thought-experiments. This practice is contrary to the scientific method which is based on conclusions drawn from the results of actual experiments.

My first thoughts were, that in spite of its obvious faults of presentation, the theory must be basically sound, and before committing my criticisms to print I read widely round the subject. The additional reading only confirmed my belief that the theory was marred by its own internal contradictions. Relativitists often state that the theory is accepted by all scientists of repute but this is quite untrue. It has been strongly criticised by many scientists, including at least one Nobel prize winner. Most of the criticisms are of a general nature drawing attention to its many contradictions, so I decided to pin-point the errors which give rise to the contradictions, giving the page and line in Einstein’s paper, thus making it difficult for relativitists to dodge them and obscure them in a morass of irrational discussion.

There were definite errors about which there can be no argument. One was the assumption that the velocity of light is constant. This is contrary to the foundations of science and the fact that it is repeated in all the textbooks I have seen, shows how little these foundations are understood by theoretical physicists [...] Even though it was found to be constant under certain conditions, it was quite wrong to make it a constant by definition under all conditions. Only the unit of measurement can be made constant by definition and Einstein’s assumption constituted a duplication of units. It was this duplication that led to puzzling and contradictory results and not the profundity of the theory as relativitists like us to believe. The other glaring mistake occurred in the course of one of his thought experiments [scl. the clock paradox]. Einstein had never made any actual experiments, as far as I can find, and he certainly had no idea of how to compare clocks [...] Many thousands of words have been written about it, but the explanation is simply that he did not go through the correct procedures in making his experiment" (a.a.O. 2015, 73—82).

Zur Hermeneutik der speziellen Relativitätstheorie

Das am Ende dieses Abschnittes eingerückte Skript zur speziellen Relativität bietet eine Darstellung und Diskussion der Standardtheorie in folgenden fünf Thesen. Die Diskussion zeigt, dass diese Thesen, wenigstens soweit sie aus der speziellen Relativitätstheorie hergeleitet werden, in Zukunft wohl nur wissenschaftshistorische Bedeutung haben werden.

(1) Es gibt keinen absoluten physikalischen Raum
(2) Es gibt keinen physikalischen Mittelpunkt des Universums
(3) Es gibt keine absolute physikalische Zeit
(4) Geschwindigkeitszunahme korreliert mit Längenschrumpfung, Zeitdehnung und Masse-/ Energiezunahme
(5) Existenz einer gemeinsamen physikalischen Welt und Zeit nur im Bereich des Horizontes der Lichtgeschwindigkeit

Wir weisen in systemimmanenter Perspektive darauf hin, dass die spezielle Relativitätstheorie Einsteins [Foto rechts] in zwei Versionen vorliegt: Kern der ursprünglichen Fassung von 1905 ist die Identifizierung von Zeit mit der gemessenen Zeit, mit der Messung. Es gibt keine selbstständige, absolute physikalische Zeit außerhalb der in unterschiedlichen Bezugssystemen unterschiedlich gemessenen Zeiten, auch nicht per Konvention, Definition oder Konstruktion. Gleichzeitigkeit ist nur durch Synchronisation von Uhren per Signalübertragung fixierbar: Die Theorie der Messungen wird zu einer Theorie des subjektiv wahrgenommenen Seins oder wenn man dies so sehen will: Scheins. Die metrischen Kontraktionseffekte der Längenschrumpfung und Zeitdilatation bei annähernder Lichtgeschwindigkeit sind in gegeneinander bewegten Inertialsystemen wechselseitig und symmetrisch und ergeben sich als Messeffekte durch das jeweilige Hineinmessen in das andere Bezugssystem. Das sogenannte Uhrenparadoxon besagt dann, dass beide Uhren wechselseitig und gleichberechtigt als langsamer gehend gemessen werden.

Man hat öfters darauf hingewiesen, dass dies tendenziell ein positivistischer Phänomenalismus im Sinne Machs ist. Einstein hat übrigens selbst betont, dass ihn Ernst Machs Philosophie am frühesten und stärksten beeindruckt und geprägt hat. Zu Machs Phänomenalismus hat man korrekterweise angemerkt, sie sei Berkeleys idealistisch-sensualistische Philosophie ohne Gott, also ohne deren metaphysischen Hintergrund. Leitmotiv von Berkeleys und mittelbar Machs und Einsteins Philosophie ist somit Esse est percipi — Sein ist nur und genau Wahrgenommensein. Es ist verwunderlich, dass Einstein sich selbst dennoch als strengen Realisten betrachtete und ihn Bohrs und Heisenbergs quantentheoretische Sicht, dass eine vom Beobachter unabhängige Außenwelt nicht existiere, befremdete. Sein alter Freund Born hielt ihm entgegen, dass die Quantentheorie sich mehr an seine ursprünglichen Ansichten halte als er selbst in seinen späteren Theorien.

Kern der zweiten, bald nach 1905 vorgetragenen Fassung der speziellen Relativität ist eine Ontologisierung der Metrik. Dies nicht im Sinn der ersten Version, wonach die Messung oder Beschreibung die einzige Wirklichkeit ist, sondern in dem Sinn, dass es nunmehr eine ausgezeichnete und reale physikalische Zeit gibt, die nicht nur Produkt einer Messung ist. Für das Uhrenparadoxon bedeutet dies, dass nicht mehr beide Uhren wechselseitig und gleichberechtigt als langsamer gemessen werden, wenn sich Inertialsysteme (= gleichförmig und geradlinig bewegte Bezugssysteme) mit extremer Geschwindigkeit gegeneinander bewegen. Jetzt geht, so Einstein, bei der Messung in Bewegung eine Uhr real nach, die andere geht nur scheinbar nach. Und beim Wiederzusammentreffen der beiden Systeme am Ausgangspunkt und in Ruhestellung verbleibt die eine Uhr verlangsamt. Ihre Zeiger bleiben unabhängig von der Messung verstellt. Das Nachgehen der Uhr in dem einen Bezugssystem ergibt sich nicht durch Hinübermessen, sondern autonom und real. Die Eigenzeit des einen Bezugssystems S übernimmt die Funktion der traditionellen absoluten Zeit.

Wissenschaftshistorisch ist dies das Aufgreifen von Poincarés Unterscheidung wirklicher und fiktiver Zeit bei geschwindigkeitsbedingten relativistischen Effekten. Und es ist — im Blick auf die Zeitdehnung und Zeitmaßstäbe — auch grosso modo ein Rückgriff auf Lorentzens Deutung relativistischer Effekte als physikalisch reale Phänomene — bei Lorentz allerdings im Blick auf die Längenkontraktion und auf materielle Objekte. Und was für Lorentz gar nicht geht, ist die Veränderung normativer Maßstäbe durch Bewegungen empirischer Objekte. Der Wissenschaftstheoretiker Peter Janich (siehe nächster Abschnitt) gibt ihm Recht: Hier liegt eine Verwechslung deskriptiver inhaltlicher Aussagen und normativer, metasprachlicher (pragmatischer, operationaler, handlungstheoretischer) Wahrheitskriterien von Aussagen vor. Die Letzteren dienen nur und genau dazu, deskriptive Erkenntnisse von deskriptiven Nichterkenntnissen zu unterscheiden. Solche normativen Geltungskriterien und Maßstäbe sind vorgängig zu empirischen, deskriptiven Behauptungen und methodisch von diesen unabhängig.

Auch und besonders systemimmanent ergibt sich damit natürlich ein Widerspruch zu den ursprünglichen Prinzipien der speziellen Relativität, wonach (i) Wechselseitigkeit und Symmetrie die Grundpfeiler relativistischer Messung sind und (ii) die Verlangsamung der Zeit auf dem Hinweg bei der Rückkehr zum Ausgangspunkt durch eine Beschleunigung der Zeit exakt kompensiert wird. Ein weiterer Widerspruch ist, dass (iii) beide Systeme zwar jeweils den Lorentzgleichungen, dem mathematischen Herzstück der Theorie, gehorchen, aber nicht mehr wie ursprünglich über die Lorentz-Transformation korreliert sind. Die kritische Fachdiskussion hierzu fasst folgender Text zusammen: „Die Situation entspricht nicht mehr der Relativitätstheorie […] Einstein stößt mit der einseitigen Ontologisierung sein eigenes System um. Er scheint es nicht zu bemerken. Er bemerkte auch nicht, dass mit der neuen Annahme das 'Uhrenparadoxon' der ursprünglichen Theorie verschwunden war. Denn das Paradoxon bestand ja nicht darin, dass die eine Uhr nachging, sondern dass beide Uhren gleichzeitig nachzugehen schienen. Unbemerkt blieb auch, dass mit der Ontologisierung die Messung und die Wirklichkeit wieder zweierlei wurden, womit ein weiterer Grundpfeiler der Relativitätstheorie fiel [...] Ein weiterer Widerspruch ergibt sich daraus, dass nach der ursprünglichen Relativitätstheorie die Beobachter in beiden Systemen ihre Messungen mit gleichgehenden, synchronisierten Uhren vorzunehmen haben. Wenn die Uhr in dem einen System automatisch effektiv nachgeht, ist dies nicht möglich [...] Die Ontologisierung verändert die Relativitätstheorie grundlegend. Es handelt sich jetzt um eine neue Theorie“ (W. Theimer (1977 [TB 2005]) Die Relativitätstheorie. Lehre. Wirkung. Kritik, Bern: Francke, 56—57)

Die Abschnitte (6) bis (9) des Skriptes sprechen weitere Gesichtspunkte zur Physik von Raum und Zeit an:

(6) Räumliche Ausdehnung ist eine emergente Eigenschaft makroskopischer Objekte ab dem atomaren Niveau
(7) Die Geometrie des Raumes ist frei wählbar bei epistemischem Primat des (annähernd) euklidischen Wahrnehmungsraums (Reichenbach)
(8) Zwei Theorien zum Verhältnis von Raum und Geometrie: (a) Physikalischer Primat des (Quanten-)Kraftfeldes vor dem Raum (= leere Arena): Der Raum qua Raum hat keine innere geometrische Struktur (Reichenbach, Grünbaum, Salmon, Wheeler, Auyang) versus (b) Substantielle Raumtheorie: Raum-Zeit-Geometrie als 'magisches' Baumaterial des Kosmos (Friedman). Siehe dazu auch in Folge die Diskussion der allgemeinen Relativitätstheorie. 
(9) Subjektive Erlebniszeit [= Erlebte Dauer] als biologische Anschauungsform [= intuitives Zeitschema] und als begriffliche Idee [= kognitive Zeitsynthesis und -ordnung] ist Fundament der modalen Zeitordnung (Zeitfluss: Vergangenheit — Gegenwart — Zukunft), und hat Priorität vor der physikalischen relationalen (topologischen) und metrischen Zeitordnung. Die Existenz, Ordnung und Metrik des physikalischen Raums und der physikalischen Zeit wird durch handelnde und erkennende Subjekte generiert, was die Lokalisierung und Datierung von Objekten und Ereignissen ermöglicht. Zeitdauer und Räumlichkeit sind emergente und relative Strukturformen physikalischer Gegenstände niedriger Energie und geringer Masse in bewussten Subjekten. [Die These findet sich in unterschiedlicher Ausprägung und Akzeptanz bei Augustinus, Kant, Mach, Bergson, Husserl, Bohr, Max von Laue, Reichenbach, Grünbaum, Heisenberg, Dürr, Bieri, C. F. von Weizäcker, Rohs, Auyang, Gärdenfors]

Hier das Skript zur speziellen Relativität und zur physikalischen Theoriebildung zu Raum und Zeit:

Physik4_Spez_Relativität_Mod.pdf

Wissenschaftstheorie physikalischer Messsung

Abschließend eine wichtige Anmerkung zur Wissenschaftstheorie der Physik im Allgemeinen und der Messung von Raum und Zeit im Besonderen: Metrische Ordnung / Metrisierung / Messung von räumlichen, zeitlichen und stofflichen Größen geschieht ursprünglich weder induktiv-empiristisch noch axiomatisch-deduktiv, sondern operativ (poietisch, konstruktiv) und ist eine Kulturleistung: Protophysik. Die Protophysik ist Teil des von Peter Janich [1942—2016, Foto unten] aus dem Erlanger Konstruktivismus weiterentwickelten Forschungsprogramms des Methodischen Kulturalismus, der Prototheorien aller Naturwissenschaften zum Gegenstand hat. Diese beschreiben deren tatsächliche, effektive Methode und zielen auf rationale Kontrolle der Grundbegriffe und Theorien ausgehend vom vorwissenschaftlichen bzw. technischen Handeln und Erkennen. Es handelt sich um den gegenwärtig innovativsten und einflussreichsten Ansatz der Wissenschaftstheorie. Das protophysikalische Grundlegungsprogramm betrifft durchaus auch die Voraussetzungen und die Reichweite der Relativitätstheorie. Vgl. Janich, P. (1997) Das Maß der Dinge. Protophysik von Raum, Zeit und Materie, Frankfurt a. M.:

"Die Relativitätstheorie [ist] trotz ihres Anspruches, die begrifflichen Grundlagen der Physik zu revidieren, selbst ebenso unbegründet wie die klassische Physik [...] Nimmt man die Explikation der methodologischen Prinzipien einer experimentell forschenden Physik hinzu, so sind (1) die mit und nach der Relativitätstheorie aufgetretenen Gesamttheorien lückenhaft oder widerspruchsvoll, und (2) nur die Berücksichtigung der außersprachlichen, technischen Praxis der Messungs- und Experimentenermöglichung mit ihren immanenten Zwängen, wonach nur bestimmte Reihenfolgen von Maßnahmen Erfolg haben, kann einen vollständigen und zirkelfreien Aufbau der Physik leisten [...] Die Frage, welche der historischen Physiken methodisch begründbar ist, diejenige Newtons oder diejenige Einsteins, ist weiterhin offen. Erst ein expliziter Aufbau methodisch geordneter Prototheorien erlaubt eine Beurteilung.“ (1997, 218)

Der moderne relativistische Geschwindigkeitsbegriff ist trotz operativer praktikabler Absicht nicht operativ begründbar: "Der vermeintlich unproblematische Geschwindigkeitsbegriff erweist sich dann als höchst problematisch, wenn im Hinblick auf die Physik die Erde als räumliches und zeitliches Bezugssystem aufgegeben und eine universell anwendbare operative Definition der Geschwindigkeit gesucht wird. Weder das Problem der ungestörten bewegten Uhren, noch das Problem der Synchronisation entfernter, zueinander ruhender Uhren ist methodisch bewältigt." (1997, 235—236)

Weiterführende Literatur zur speziellen Relativität: Grehn, J. et al (Hrsg.) (1992 [2014]) Metzler Physik, 2. Aufl. Hannover, Kap. 8; Carnap, R. (1922) Der Raum. Ein Beitrag zur Wissenschaftslehre, Berlin; Bergson, H. (1922) Durée et simultanéité: à propos de la théorie d’Einstein, Paris; Reichenbach, H. (1928) Die Philosophie der Raum-Zeit-Lehre, Berlin; Grünbaum, A. (1963) Philosophical Problems of Space and Time, New York; Essen, L. (1971) The Special Theory of Relativity: A Critical Analysis, Oxford; Werkmeister, W. H. (1975) Kant's Philosophy and Modern Science. In: Kant-Studien 66, 35—57; Salmon, W. C. (1977) Hans Reichenbachs Leben und die Tragweite seiner Philosophie. In: Reichenbach, H. Gesammelte Werke I, Braunschweig/Wiesbaden, 1—33; Strohmeyer, I. (1977) Tranzendentalphilosophische und physikalische Raum-Zeit-Lehre, Köln; Düsing, K. (1980) Objektive und subjektive Zeit. Untersuchungen zu Kants Zeittheorie und zu ihrer modernen kritischen Rezeption. In: Kant-Studien 71, 1—34; Friedman, M. (1983) Foundations of Space-Time Theories: Relativistic Physics and Philosophy of Science, Princeton; Janich (1985) Protophysics of Time, Dordrecht / Boston / Lancaster; Janich, P. (1989) Euklids Erbe. Ist der Raum dreidimensional?, München; Janich, P. (1997) Das Maß der Dinge. Protophysik von Raum, Zeit und Materie, Frankfurt/ M.; Hawking, S. W. (1997) Eine kurze Geschichte der Zeit. Die Suche nach der Weltformel, Reinbek bei Hamburg; Schonefeld, W. (1999) Protophysik und Spezielle Relativitätstheorie, Würzburg; Zeyer, K. (1999) Die methodische Philosophie Hugo Dinglers und der transzendentale Idealismus Immanuel Kants, Hildesheim / New York; Born, M. (2003) Die Relativitätstheorie Einsteins, 7. Aufl. Berlin/Heidelberg/Oxford [¹1920]; Carrier, M. (2009) Raum-Zeit, Berlin/New York; Esfeld, M. (2011) Einführung in die Naturphilosophie, 2. Aufl. Darmstadt, Kap. 4, 30-46.

Allgemeine Relativitätstheorie: Geographie des Raumes

Spezielle und allgemeine Relativität

Die Allgemeine Relativitätstheorie bringt auch die beschleunigte Bewegung von Körpern und die Schwerkraft unter das Dach der relativistischen Auffassung von Raum und Zeit. Sie tut dies unter Preisgabe der zentralen Lehrsätze der speziellen Relativitätstheorie wie (i) der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit und (ii) der auf geraden Linien, Lichtstrahlen und stabilen Inertialsystemen beruhenden Minkowski-Welt. Auch (iii) Zeitdehnung und Längenkontraktion werden nicht mehr auf den relativen Bewegungszustand des Beobachters zurückgeführt, sondern auf die Massenverteilung des Weltraums und (iv) mit der Materie bzw. dem Kraftfeld als absolutem, Raum und Zeit formendem Bezugssystem und/oder der ontologisierten Raumzeit als deren Produkt wird der Äther in veränderter Form als unverzichtbar wieder eingeführt. Die spezielle Relativität wird nun zu einer Theorie minimaler Grenzbereiche ohne Gravitationskräfte. Anhänger wie Kritiker der Relativitätstheorie sehen daher die beiden Relativitätstheorien auch systemimmanent als kaum kompatibel an. Im Ergebnis und praktisch ist die Einstein'sche Gravitationstheorie der allgemeinen Relativität mit der klassischen Newton'schen Theorie allerdings identisch außer in exotischen Grenzbereichen extrem starker Felder und mit annähernder Lichtgeschwindigkeit bewegter Körper. [Foto oben: Hans Reichenbach, der in den 1920er Jahren in Berlin in Zusammenarbeit mit Einstein eine wissenschaftstheoretische und philosophische Bewertung der Relativitätstheorie vorlegte. In den 1940er und 50er Jahren in Kalifornien tätig, prägt er zusammen mit Carnap und Hempel über die Schüler Salmon, Grünbaum, Putnam, Friedman u.a. bis heute die Philosophie der Physik.]

Thesen der allgemeinen Relativitätstheorie

Hier die wichtigsten Aussagen der allgemeinen Relativitätstheorie. Der entscheidende Ausgangspunkt, auf den es zunächst ankommt, ist das Postulat der Gleichwertigkeit von Beschleunigungskraft (= Trägheitskraft bei ungleichförmig beschleunigter Bewegung) und Schwerkraft. Oder anders gesagt: die Identität von träger und schwerer Masse. Beides ist, so die Theorie, schlicht dasselbe: 

(1) Beschleunigungskraft = Schwerkraft

(2) Beschleunigte Bewegung bzw. Schwerkraft hat 3 Wirkungen auf elektromagnetische Strahlung / Licht: Verlangsamung — Krümmung — Frequenzverringerung.  

(3) Ungleichmäßigkeit der Massen (= Schwerkraft-)Verteilung führt zu
(a) beschleunigenden Kraftfeldern ­— (b) Verzerrung der Raumzeit — (c) Krümmung der Bahn (Weltlinie) von Körpern — (d) im Extremfall: Abschnürung aus Raum und Zeit (Gravitationskollaps: Schwarzes Loch)

Wie kaum ein anderes Thema sind die letztgenannten Schwarzen Löcher geradezu ein Inbegriff für Astro- und Elementarteilchenphysik geworden. Zugleich zeigen sie, wie hypothetisch, kontrovers und veränderlich die Auffassungen und Lehrstücke der modernen Physik sind. Stephen Hawking etwa, in den 1970er Jahren ein Vordenker der Schwarzen Löcher, sprach sich seit 2014 gegen ihre Existenz aus: "Es gibt keine Schwarzen Löcher". Andere Forscher sehen dies inzwischen auch so: Existieren Schwarze Löcher gar nicht? Vgl. dazu den nächsten Abschnitt und grundsätzlich das Kapitel in Folge: 'Kosmologie: Theorien für alles'. Eine deskriptive Übersicht der Thesen zur Allgemeinen Relativität mit einigen kritischen Anmerkungen (siehe insbesondere den nächsten Abschnitt) kann hier heruntergeladen werden:

Physik5_Allgem_Relativität_Mod.pdf

Klassische Reformulierung der Relativität

Die heute vorliegende astrophysikalische Datenbasis erlaubt — und erzwingt — die Feststellung, dass der sog. Gravitationslinseneffekt, eine zentrale Behauptung der allgemeinen Relativitätstheorie, als falsifiziert anzusehen ist. Dasselbe gilt für den postulierten physikalischen Zusammenhang zwischen Materie, Masse, Gravitation einerseits und Licht, Strahlung und Elektromagnetismus andererseits: Eine direkte Interaktion zwischen Schwerkraft und Elektromagnetismus findet nirgends im plasmafreien Vakuumraum statt. Maßgeblich für die physikalische und mathematische Evaluation der entsprechenden Beobachtungsdaten ist Edward Jr. Henry Dowdye, ein renommierter Astrophysiker mit jahrzehntelanger experimenteller Expertise am NASA Goddard Space Flight Center, dem bedeutendsten Weltraum-Forschungszentrum der Welt. Im Fokus von Dowdyes Kompetenz stand die satellitengestützte, terrestrische und extraterrestrische Untersuchung, Messung und technische Nutzung der Wechselwirkung von Materie und Laserstrahlung.

Dowdye, der u.a. einen Abschluss in Atomphysik der Universität Heidelberg besitzt, hat darüber hinaus in Zusammenarbeit mit der mathematisch-naturwissenschaftlichen Spitzenuniversität Deutschlands, dem Karlsruher Institut für Technologie (KIT), eine alternative Theorie für die Beobachtungsdaten entwickelt, welche nach dem Urteil amerikanischer und internationaler Fachkollegen der allgemeinen und auch speziellen Relativitätstheorie mathematisch und denkökonomisch überlegen ist. Mathematiker und Physiker der Universität Karlsruhe haben am Institut für angewandte Mathematik 2003 dieses neue Paradigma mit dem Autor diskutiert, seine "Homepage und Bücher studiert" und "dazu auch einen workshop veranstaltet, um im Kreis erfahrener Physiker die Ausführungen von Herrn Dowdye zu püfen" mit "folgendem Gesamtresultat":

"Die mathematischen Formeln der Speziellen Relativitätstheorie (SRT) sind durch die Arbeiten von Herrn Dowdye regelrecht mathematisch und physikalisch auf völlig unabhängigen Wegen und sogar auf der elementaren Basis der Euklidischen Geometrie und der Galileischen Raum-Zeit-Invarianz bewiesen worden. Das ist eine geniale nobelpreisverdächtige Leistung, denn damit ist ein (von Einstein so sehnlich gesuchter) Zugang zur Erklärung der ‚relativistischen Effekte‘ allein nur mit den Mitteln der Galileischen Raum-Zeit-Physik und des Heuygen‘schen Wellenprinzips gelungen.

Im ersten Eindruck wird man versucht sein anzunehmen, daß das doch damit zu einem Widerspruch zur SRT führen müßte. Doch das genial Elegante an diesem Dowdye‘schen Weg ist, daß er die mathematischen Aussagen der SRT voll und ganz bestätigt, zugleich aber zeigt, daß die bisherigen physikalischen Interpretationen unnötig kompliziert und eigentlich wirklichkeitsfremd waren. Die Beweisgänge von Dowdye zeigen, daß die relativistischen Effekte durch bekannte Welleneigenschaften in galileischen Koordinaten wirklichkeitsnah erklärt und beschrieben werden können, was dann zu denselben Formeln der SRT führt. Man kann es auch so sagen: Die SRT gilt, wurde aber unter nicht zulässigen physikalischen Annahmen hergeleitet, dagegen gibt es eine physikalische Herleitung, die dann allerdings die Galileische Welt im Euklidischen Raum zugrundelegen muß." (Universität Karlsruhe, Institut für angewandte Mathematik, Prof. Dr. E. Kaucher, 15.05.2003)

Die Experten für angewandte Mathematik des Karlsruher Instituts für Technologie haben diese Evaluation während zwei Jahren 2007 und 2008 auf Postgraduierten- und Undergraduates-Ebene institutionalisiert und vertieft und das Vorwort zu Dowdyes Hauptwerk Discourses and Mathematical Illustrations pertaining to the Extinction Shift Principle under the Electrodynamics of Galilean Transformations, kurz: Extinction Shift Principle (³2012) beigesteuert:

"Herr Dowdye leistet eine Pionierarbeit, die eine weitere Revolution [in der physikalischen Sicht der Natur] entweder bereits ausgelöst hat oder zumindest bald auslösen wird. Je früher diese neue und elegante Sicht der Natur des Lichtes, der elektromagnetischen Wellen und der Gravitation sich etabliert haben wird, desto früher kann das astrophysikalische Weltbild aber auch die Atomforschung wesentlich korrigiert und jeweils technisch verbessert werden [...]

Einstein würde entzückt sein, wenn er die von Dowdye entwickelte enorm vereinfachte und euklidisch-galileisch mathematisch mögliche Beschreibung aller (ausnahmslos aller) Aussagen und Formeln der speziellen und allgemeinen Relativitätstheorie lesen würde [...] Eine Einstein zufriedenstellende Beschreibung der Phänomene war damals noch nicht sichtbar, z.B. in Form einer klassischen Verbindung von Raum und Zeit. Streng genommen war die vierdimensionale Raum-Zeit-Ereigniswelt ein mathematischer Kunstgriff, um die Paradoxie der Konstanz der (effektiven) Lichtgeschwindigkeit beschreiben zu können. Es ist und wäre aber widersinnig und gegen Einsteins Intentionen, diese mathematische Beschreibung als naturnahe Beschreibung anzusehen." (Dr. Edgar Kaucher, Institut für angewandte Mathematik, Technische Universität Karlsruhe)

Eine erste Orientierung über das in Rede stehende Paradigma bietet ein Interview der Epoch Times mit Dr. Dowdye vom 19. Juni 2014: Ehemaliger NASA-Physiker ficht Einsteins Relativitätstheorie an: "Viele Beobachtungen durch Astronomen zeigen, dass der Gravitationslinseneffekt in Wirklichkeit nicht existiert, wie er in der Relativitätstheorie beschrieben wird. Diese sagt eine Ablenkung von Lichtstrahlen voraus, wenn sie die Gravitationsfelder schwerer kosmischer Objekte passieren. Wenn die Relativitätstheorie an dieser Stelle scheiterte, würde es ihr im Grunde genommen den Teppich unter den Füßen wegziehen":

"Die Relativitätstheorie [beschreibt] den Gravitationslinseneffekt [wie folgt]: Das Gravitationsfeld massiver Objekte, wie Sterne und Planeten, krümmt vorbeilaufende Lichtstrahlen. Als Teil der Relativitätstheorie existiert die Idee der Raum-Zeit. Raum und Zeit sind demnach miteinander verbunden. Da das Gravitationsfeld nahe der Oberfläche [massiver Objekte] stärker ist, vergeht die Zeit dort langsamer, wodurch sich Licht nahe der Oberfläche langsamer bewegt als weiter entfernt davon. Dies resultiert in eine Krümmung der Bahn des Lichts, das am Objekt vorbeiläuft. Je schwerer das Objekt ist, desto stärker wird das Licht abgelenkt."

"Das sei aber nicht das, was tatsächlich passiert, so Dowdye. Über die mit Hubble aufgenommenen lichtschwachen Objekte sagt er, dass die beobachteten Effekte im Infraroten und Ultravioletten sowie im Bereich des sichtbaren Lichts verschwinden. Aber laut der Relativitätstheorie müssten die Effekte für alle Lichtfrequenzen gelten."

Dowdye identifiziert als tatsächliche Ursache des astrophysikalischen Phänomens Gravitationsgradienten. Also Gefälle in der Stärke der Schwerkraft. Deren Wirkweise ist analog der Wirkweise von Temperaturgefällen oder -gradienten: "Ein Temperaturgradient existiert, wenn sich über eine gegebene Strecke die Lufttemperatur ändert. Die heiße Luft ist weniger dicht als die kühle Luft. Die Photonen (Lichtteilchen) nehmen beim Fallen durch die Schichten verschiedener Dichte einen gekrümmten Weg zwischen der Sonne und dem Auge des Betrachters. Wir glauben, Licht bewegt sich entlang gerader Linien, aber tatsächlich wählt es den Pfad, der am wenigsten Zeit kostet. Deshalb scheint [z.B. bei einer Fata Morgana] die Luft in der Wüste zu flimmern und in Bodennähe kann man den Effekt von Wellen oder kräuselndem Wasser beobachten."

"Große Gravitationsgradienten existieren in der Nähe der Oberfläche von massiven Objekten, wie unserer Sonne. Dort kann Lichtkrümmung beobachtet werden. Das bedeutet, die Gravitationsfeldstärke ändert sich entlang einer vorgegebenen Strecke und verursacht ein Gradienten-Profil, das auf die Plasma-Atmosphäre der Sonne wirkt. So wie das Temperaturgefälle auf der Erde die Luftspiegelungen durch Luftdichte-Änderungen bewirkt, wirkt das Gravitationsgefälle auf das Plasma an der Sonnenoberfläche [...] Das Licht wird durch das Plasma gekrümmt und folgt seinem idealen Weg entlang dem Gravitationsgradienten."

"Ein weiterer … Punkt ist, dass dieser Linseneffekt nur im Plasma zu passieren scheint. Diese Substanz, Plasma, war zu Einsteins Tagen praktisch unbekannt. Wir haben keine Hinweise auf Lichtablenkung um massive Objekte, ohne dass Plasma involviert ist. Gravitationslinsen funktionieren nicht über die Krümmung der Raum-Zeit im Gravitationsfeld, wie es die Relativitätstheorie beschreibt, so Dowdye. Es geht um den Einfluss des Gravitationsfelds auf das Plasma entlang eines Gradienten; das Plasma wirkt sich wiederum auf den Weg aus, den das Licht nimmt." [Foto links: Galaxie M 81]

"Nach der Relativitätstheorie sollte sich Licht überall, wo Gravitation existiert, krümmen. Wenn Gravitation um ein Objekt herum existiert, das über kein Plasma verfügt, sollte sich das Licht nach der Relativitätstheorie dennoch krümmen. Dies geschieht aber nicht [...] Linseneffekte um Schwarze Löcher, wie sie in Lehrbüchern gezeigt werden [gibt] es in Wirklichkeit gar nicht [...] Es können keine solche Effekte beobachtet werden, wenn man einen Stern hinter einem Schwarzen Loch vorbeiziehen sieht."

Weiterführende Literatur zur allgemeinen Relativitätstheorie: Meschede, D. (Hrsg.) (2002 [²⁵2015]) Gerthsen Physik, 21. Aufl., Berlin / Heidelberg / New York et al., Kap. 17; Reichenbach, H. (1920) Relativitätstheorie und Erkenntnis-Apriori, Berlin; und ders. (1928) Die Philosophie der Raum-Zeit-Lehre, Berlin; Theimer, W. (1977 [TB 2005]) Die Relativitätstheorie. Lehre. Wirkung. Kritik, Bern; Janich, P. (1980) Die Protophysik der Zeit, Frankfurt / M.; Van Benthem, J. F. A. K. (1983) The Logic of Time: a Modal-theoretic Investigation into the Varieties of Temporal Ontology and Temporal Discourse, Dordrecht; Friedman, M. (1983) Foundations of Space-Time Theories: Relativistic Physics and Philosophy of Science, Princeton; Gloy, K. (1984) Die Kantische Differenz von Begriff und Anschauung und ihre Begründung. In: Kant-Studien 75, 1—37; Mittelstaedt, P./Strohmeyer, I. (1990) Die kosmologischen Antinomien in der Kritik der reinen Vernunft und die moderne physikalische Kosmologie. In: Kant-Studien 81, 145—169; Kane, G. (2003) Neue Physik jenseits des Standardmodells. In: Spektrum der Wissenschaft 9/2003, 26—33; Carrier, M. (2009) Raum-Zeit, Berlin/New York; Esfeld, M. (2011) Einführung in die Naturphilosophie, 2. Aufl. Darmstadt, Kap. 4, 30—46; Dowdye, E. H. (2012) Discourses and Mathematical Illustrations pertaining to the Extinction Shift Principle under the Electrodynamics of Galilean Transformations, 3. Aufl. Greenbelt, MD.

Geozentrismus in neuem Gewand

Wir haben im Zusammenhang der Relativitätstheorie gesehen, dass es nach derselben keinen absoluten physikalischen Raum gibt, auch keinen physikalischen Mittelpunkt des Universums sowie keine absolute physikalische Zeit. Diese und andere Gesichtspunkte haben zu neuen Versuchen geführt, für ein geozentrisches Weltbild zu argumentieren. Harte Geozentriker gehen (a) meist davon aus, dass die geozentrische Weltbeschreibung physikalische Wirklichkeit ist und nicht nur (b) eine — nach der modernen Physik stets mögliche — freie Wahl eines Bezugssystems, so die gemäßigte Spielart. Der letztere Standpunkt (b) akzeptiert alle Beobachtungsdaten und Theorien der physikalischen Standardtheorie. Er stützt die geozentrische Annahme auf die Allgemeine Relativitätstheorie, die u.a. besagt, dass alle physikalischen Erscheinungen widerspruchsfrei in jedem beliebigen Bezugssystem beschrieben und erklärt werden können und dass es physikalisch kein bevorzugtes Bezugssystem gibt.

Gemäßigte Geozentriker argumentieren m.a.W. für die These: Wenn die Allgemeine Relativitätstheorie wahr ist, dann gibt es ein Bezugssystem, in dem die Erde der unbewegte Mittelpunkt eines Universums ist, das nicht ein Inertialsystem (oder in der Allgemeinen Relativität: frei fallendes Bezugssystem) ist. Überhaupt existiert für jedes frei gewählte Koordinatensystem und Zentrum ein physikalischer Bezugsrahmen (ob Inertialsystem oder beschleunigtes Bezugssystem). Man verweist auch auf die Wissenschaftstheorie Karl Poppers, die solche naturwissenschaftlich unentscheidbaren und damit auch grundsätzlich nicht falsifizierbaren Behauptungen wie Geozentrismus oder Heliozentrismus als metaphysische Hintergrundannahmen qualifiziert und nicht als eigentliche wissenschaftliche Hypothesen. Die Wahl und Bevorzugung des geozentrischen Bezugssystems erfolgt bei dieser Gruppe (b) meist aus anderen, religiösen Gründen.

Der erstere Standpunkt (a) geht weiter und bestreitet auch die Interpretation der Phänomene durch die heutige Astronomie und Kosmologie. So nimmt man oft an, dass die Sterne viel näher sind als die gängigen Messverfahren nahelegen und auch die Äthertheorie wird in veränderter Form aufgegriffen.

Der verbreitetste geozentrische Ansatz unter modernen Geozentristen ist jener des Tychonischen Systems (von Tycho von Brahe, 1546—1601), das ptolemäisch-geozentrische und kopernikanisch-heliozentrische Gesichtspunkte vereint: Im Zentrum ruht, wie im ptolemäischen Weltbild auch, die Erde. Um sie kreisen Mond und Sonne, aber alle anderen Himmelskörper bewegen sich wie bei Kopernikus um die Sonne. Nur die äußerste Sphäre mit den Fixsternen bewegt sich in 24 Stunden einmal um die Erde. [Bild rechts: –Tycho Brahe, 1546—1601, dänischer Astronom von Weltgeltung, der die professionellsten Sternwarten der Zeit: Uranienborg und Stjerneborg, auf der Öresundinsel Ven einrichtete, und später in Prag als mathematischer Berater des Kaisers des Heiligen Römischen Reiches tätig war, in welchem Amt ihm der bahnbrechende Kopernikaner Johannes Kepler (1571—1630) nachfolgte]

Man ist geneigt, dies für eine abwegige Diskussion wissenschaftlicher Phantasten oder religiöser Querulanten zu halten. Damit kann die Sache jedoch nicht erledigt werden, denn die grundsätzliche physikalische Möglichkeit und Begründungsfähigkeit des geozentrischen Weltbildes wurde und wird von maßgeblichen Autoritäten der modernen Physik ohne weiteres zugegeben. Der Geozentrist und Astrophysiker Mark Wyatt hat die wichtigsten einschlägigen Stellungnahmen auf seiner Seite aufgelistet (http://www.geocentrism.com/possible.htm). Max Born (1882—1970, einer der Väter der modernen Physik in Zusammenarbeit mit Planck, Einstein und Heisenberg) sagt dazu beispielsweise in einem berühmten Buch Einstein's Theory of Relativity, Dover Publications 1962, 345 (orig.: Die Relativitätstheorie Einsteins 5. Aufl. Berlin 1965 [1. Aufl. 1920]): "Wir können gerne zu Ptolemaios' Betrachtungsweise einer unbewegten Erde zurückkehren [...] Von Einsteins Standpunkt haben Ptolemaios und Kopernikus gleichermaßen Recht." Von Albert Einstein wurde dies auch selbst bekräftigt, in The Evolution of Physics, Cambridge 1938, 248: "Either CS [= coordinate system] could be used with equal justification." / „Beide Kordinatensysteme können mit gleicher Berechtigung verwendet werden“.

Ähnlich Fred Hoyle, Stephen Hawking und sein südafrikanischer Forschungskollege George Ellis (*1939), der ins Relief hebt, dass die Entscheidung für oder gegen das geozentrische Modell nur auf „philosophischer Basis“ und „unter Anwendung philosophischer Kriterien“ getroffen und begründet werden kann. Er sagt dazu: "I can construct you a spherically symmetrical universe with Earth at its center, and you cannot disprove it based on observations". Auch Stephen Hawking stellt in A Brief History of Time [dt.: Eine kurze Geschichte der Zeit.Die Suche nach der Weltformel, Reinbek bei Hamburg 1997] fest, dass die Beobachtungsdaten die Deutung nahelegen, „dass wir im Zentrum des Universums sein müssen“ und dass wir „keinen wissenschaftlichen Beweis für oder gegen eine andere Deutung“ der Daten haben. Belege zu den Zitaten finden Sie in untenstehender Datei bzw. Verknüpfung.

Speziell Ellis' Anliegen ist, "to bring into the open ... the fact that we are using philosophical criteria in choosing our models." Das Ganze ist ein Sonderfall der Einsicht der modernen historisch ausgerichteten Wissenschaftstheorie, wonach der normale Wissenschaftsbetrieb sich innerhalb sog. Paradigmen vollzieht, die selber nicht wissenschaftlich begründet werden (können), sondern nur aufgrund philosophischer, religiöser oder auch denkökonomischer Kriterien. Die nackten Beobachtungsdaten lassen fast immer mehrere Deutungen zu. So gibt es auch heute bedeutende Beobachtungen, welche besser mit dem geozentrischen Modell erklärbar sind. Auf der anderen Seite ist natürlich auch die geozentrische Hypothese für eine ganze Reihe von Beobachtungen unter Erklärungspflicht. Dies betrifft etwa Änderungen der Tageslänge wie  allgemeines minimales Kürzerwerden derselben (nach dem kopernikanischen Modell den Gezeitenreibungen zugeordnet), oder Jahresschwankungen (nach dem kopernikanischen Modell Änderungen des Erdkerns zugeordnet) und Jahreszeitenschwankungen (nach dem kopernikanischen Modell dem Jetstrom und der Eis-Wasser-Verteilung zugeordnet). [Bild oben: Galileo Galilei, 1564—1642, als Vertreter des heliozentrischen Modells Tycho Brahes Gegenspieler; Gemälde v. D. Robusti, 1605]

Zu Geschichte und Pro und Contra des modernen Geozentrismus finden Interessierte mehr auf dieser Verknüpfung:

Physik5a_Geozentrismus_mod2014.pdf

Quantenfeldtheorie

Im Gefolge der sogenannten Kopenhagener Interpretation der Quantenmechanik wird oft gesagt, dass unsere in Wahrnehmung und begrifflichem Denken gesetzte Erfahrungswelt die eigentliche und einzige objektive Welt sei. Die physikalische quantentheoretische Welt sei dagegen eine unbestimmte virtuelle Schemenwelt, die nicht mit objektiven Denk- und Anschauungsformen unserer Erfahrungwelt greifbar sei und also keine objektive Realität habe.

Dass das so nicht korrekt ist, hat Heisenberg selbst herausgestellt, auf den neben Bohr die Kopenhagener Deutung zurückgeht. Heisenberg legt zunächst Wert darauf, dass durch die Quantentheorie die faktische Wirklichkeit in Raum und Zeit nicht verdrängt wird. Dass also unsere konkrete Lebenswelt nicht relativiert wird. Und zweitens betont er, dass auch die quantenmechanische Tiefenstruktur der physikalischen Realität keine verschwommene irreale Schemenwelt sei, sondern eine sehr klare, präzise und potentiell-objektive Welt. Man müsse das so sehen, dass da, wo man versucht, "hinter dieser [aktualen] Wirklichkeit in die Einzelheiten des atomaren Geschehens vorzudringen [...] sich die Konturen dieser 'objektiv-realen' Welt auf[lösen] – nicht in dem Nebel einer neuen und noch unklaren Wirklichkeitsvorstellung, sondern in der durchsichtigen Klarheit einer Mathematik, die das Mögliche, nicht das Faktische, gesetzmäßig verknüpft [...] Das Argument des Idealismus, daß gewiße Vorstellungen 'a priori', d.h. insbesondere auch vor aller Naturwissenschaft sind, besteht hier zu Recht. Die Ontologie des Materialismus beruhte auf der Illusion, daß man die Art der Existenz, das unmittelbar 'Faktische' der uns umgebenden Welt, auf die Verhältniss im atomaren Bereich extrapolieren kann. Aber diese Extrapolation ist unmöglich." (Heisenberg: Die Entwicklung der Deutung der Quantentheorie. In: L. Krüger (Hrsg.): Erkenntnisprobleme der Naturwissenschaften. Texte zur Einführung in die Philosophie der Wissenschaft, Köln 1970, 426)

Mit anderem Akzent wurde auch von Auyang und anderen geltend gemacht, dass — trotz aller Unterschiede — in der Quantenwelt die begrifflichen Kategorien und logischen Operationen, aber auch Raum und Zeit grundsätzlich dieselben bleiben und sind wie in unserer normalen Erfahrungswelt. Es kommen nur neue Gegenstände und neue Eigenschaften dazu. Dies zeigen die Quantenfeldtheorien, die die vorgeschobenste Grenze der modernen Physik sind, soweit es sich nicht um eher spekulative Hypothesenbildungen handelt. Quantenfeldtheorien gehen insofern über die Quantenmechanik hinaus, als sie nicht nur Teilchen, sondern auch Felder quantenmechanisch behandeln (= sog. Zweite Quantisierung): "Die Quantenmechanik sieht die Anzahl der Quantensysteme so an, dass diese konstant ist. Quantensysteme können jedoch erzeugt und vernichtet werden. Die Quantenfeldtheorie behandelt die Erzeugung und Vernichtung von Quantensystemen [... und] setzt für jede Art von Elementarsystemen — wie zum Beispiel Elektronen — ein Feld an, das sich über die gesamte Raumzeit erstreckt": Elementarsysteme wie Elektronen und Protonen sind Feldquanten, d.h. "Anregungen von Quantenfeldern", die aber weder als klassisches Teilchen noch als klassisches Feld, sondern als virtuelle Überlagerung an einem Punkt der Raumzeit verstanden werden (Esfeld 2011, 60—61). Man unterscheidet relativistische Quantenfeldtheorien, die die spezielle Relativitätstheorie einbeziehen und nicht-relativistische Quantenfeldtheorien (z.B. in der Halbleiterphysik).

Die uns hier interessierenden relativistischen Quantenfeldtheorien sind kombinierte Ansätze bzw. Vereinheitlichungen von Quantenmechanik und spezieller Relativitätstheorie. Sie sind damit auch der Versuch, den garstigen Graben zu überbrücken, der die Quantentheorie von der Relativitätstheorie trennt. Sie untersuchen konkret, wie sich die ultimative Quantenrealität in unserem Erfahrungshorizont von Raum und Zeit präsentiert und auswirkt, unter der Voraussetzung, dass die spezielle Relativitätstheorie widerspruchsfrei und realitätsdicht ist. Wenn diese Voraussetzung sich nicht halten lässt, sondern — nach einem von Kant andernorts verwendetem Vergleich — der erfolglose Versuch ist, einen Bock zu melken, dann sind ihre Vertreter — so immer noch der kantische Vergleich — solchen zu vergleichen, die glauben, das Ergebnis zu verbessern, indem sie ein Sieb zur Filterung der Milch darunterhalten. Zu den relativistischen Quantenfeldtheorien gehören die Quantenelektrodynamik (QED), die eine Verbindung von elektromagnetischer Kraft und spezieller Relativitätstheorie ist; und die Quantenchromodynamik (QCD), die eine Verbindung von starker Kernkraft mit der speziellen Relativitätstheorie ist. Die raumzeitliche Präsenz und Wirkung der Schwerkraft fällt dabei bisher aus dem Rahmen, da sie noch nicht mit Mitteln der Quantenmechanik in den Griff zu bekommen war, sondern nur durch die — nicht-quantenmechanische — allgemeine Relativitätstheorie beschrieben wird. [Foto oben: Harald Fritzsch (* 1943), mit Murray Gell-Mann Vater der Quantenchromodynamik und der Farbquantenzahlen der Quarks, und mit Peter Minkowski Vater der Standardtheorie der großen Vereinheitlichung der Elementarteilchen. Nach einer aufsehenerregenden Flucht 1968 aus dem Ostblock setzte er sein Leipziger Physikstudium bei Werner Heisenberg in München, in Stanford sowie am CERN fort und ist heute der vielleicht einflussreichste Vordenker der Elementarteilchenphysik weltweit; 1980—2008 Professor an der Universität München]

Man unterscheidet nun grundsätzlich in den Quantenfeldtheorien zwei Symmetriegruppen, also zwei Gruppen oder Klassen von Invarianten oder Gesetzen: die quantitative, dimensionale Raumzeit-Gruppe und die qualitative, lokale Symmetriegruppe, auch Zustandsraum genannt. Zum Verständnis des mathematischen Werkzeugs der Quantenfeldtheorien hier vorab diese Skizze:

Physik6_Quantenfeldtheorie_Mod.pdf

Hier nun eine Übersicht der zentralen Aussagen und der philosophisch interessanten Gesichtspunkte der Quantenfeldtheorien:

(1) Ein quantenphysikalisches System / Ereignis hat zwei Ebenen: (A) quantitativ: extensional-numerisch und (B) qualitativ: intensional-begrifflich.

(2) Die Ebene (A) ist das Koordinatensystem der raumzeitlichen Symmetriegruppe und leistet die Individuierung und Dislozierung eines Systems / Ereignisses. Sie ist die Domäne der Relativitätstheorie.

(3) Die raumzeitliche Symmetriegruppe wird begrifflich erzeugt (Differentialgeometrie) und ist als durch Wahrnehmung und Denken bedingte Realität eine Voraussetzung der relationalen und metrischen Zeitordnung.

(4) Die Ebene (B) ist die lokale Symmetriegruppe (lokales Quantenfeld) und leistet die Bestimmung der Inhalte und kausalen Relationen der Raum-Zeit-Punkte oder Ereignisse der raumzeitlichen Symmetriegruppe. Sie ist die Domäne der Quantenfeldtheorie.

(5) Die Ebene (B) ist ein n-dimensionaler Zustandsraum (Hilbertraum / Vektorraum), bestehend aus dem aktuellen Zustand (Zustandsfunktion) und möglichen Transformationen (= Möglichkeitsraum von nicht wahrnehmbaren, für uns nur impliziten Systemeigenschaften und expliziten, distinkten Merkmalen wie Gewicht, Energie, Drehsinn).

(6) Explizit bestimmte physikalische Merkmale bzw. Größen sind Eigenzustände von Zustandsfunktionen (= Eigenwerte von Eigenfunktionen, d.h. solche, die bei Transformationen nicht die Richtung wechseln).

(7) Die Menge der Eigenzustände bildet die Koordinatenachsen oder die Basis des Zustandsraums.

(8) Quantenmechanische wie makrokosmische Erfahrungsurteile haben ich-intentionale Struktur: Objektive Lokalisierung und Datierung von Quantenereignissen hängt von einer transzendentalen Raumzeit-Ordnung des kognitiven Subjekts ab: Die Differenzierung von Raum und Zeit aus dem 4-dimensionalen Raumzeit-Kontinuum des Quantenfeldes geschieht durch das kognitive Bewusstsein (Auyang 1995, Rohs 1996) + Auftreten mikro- und makroskopischer räumlicher Gegenstände und zeitlicher Ereignisse unserer Erfahrungswelt ist eine Wahrnehmungs- und Kognitionsleistung: „The reality that is meaningful to us is structured by the mind“ (Auyang 1995, 195).

(9) Das ursprüngliche kognitive Selbstbewusstsein ist notwendige Bedingung für alle andere inhaltliche Erfahrung (Rohs).

Weiterführende Literatur zur Quantenfeldtheorie: Auyang, S. Y. (1995) How is Quantum Field Theory Possible?, New York; Rohs, P. (1996) Feld — Zeit — Ich: Entwurf einer feldtheoretischen Transzendentalphilosophie, Frankfurt a. M.; Teller, P. (1995) An Interpretive Introduction to Quantum Field Theory, Princeton; Bitbol, M. (1998) Some Steps towards a transcendental Deduction of Quantum Mechanics. In: Philosophia naturalis 35 (1998), 253—280; Carrier, M. (2009) Raum-Zeit, Berlin/New York; Natterer, P. (2011) Philosophie des Geistes. Mit einem systematischen Abriss zur Biologischen Psychologie und zur Kognitionswissenschaft, Norderstedt, v.a. Kap. 14, 227—295: Jaegwon Kim: Physicalism or Something Near Enough; Esfeld, M. (2011) Einführung in die Naturphilosophie, 2. Aufl. Darmstadt, Kapitel 3, 4, und 6; Fritzsch, H. (2015) Quantenfeldtheorie — Wie man beschreibt, was die Welt im Innersten zusammenhält, Heidelberg / Wiesbaden.

Kosmologie: Theorien für Alles

Kulturgeschichtlich sind die Mythen der Völker, die antiken und neuzeitlichen Philosophien und auch philosophisch-theologische Summen Theorien für Alles. Die gegenwärtige physikalische Kosmologie ist für viele ihrer Vertreter ein weiterer Versuch, über eine Vereinheitlichung der Physik zu einer Weltformel zu gelangen. Vorreiter einer solchen wissenschaftlichen Theorie für Alles waren Boscovic, Faraday, Maxwell, Riemann, Einstein, Heisenberg, wobei sich diese Denker der begrenzten Reichweite quantifizierender empirischer Methoden in der Regel bewusst waren. Eine der besten Analysen dieses Versuches hat m.E. der bekannte Astrophysiker und Wissenschaftspublizist John Barrow vorgelegt (siehe Literaturhinweise in Folge): „Wie, wann und warum entstand das Weltall? Diese Fragen nach den letzten Dingen waren jahrhundertelang kaum aktuell. Naturwissenschaftler hüteten sich vor ihnen, Theologen und Philosophen waren ihrer müde geworden. Aber heute stellen Naturwissenschaftler solche Fragen plötzlich ganz ernsthaft.“ (Barrow: Theorien für alles, Reinbek 1994, 13)

Wer sich über die physikalische Kosmologie als Teilgebiet der modernen Astronomie allgemein informieren will, kann dies mittels zahlreicher mehr oder minder anspruchsvoller und gelungener Überblicke tun. Gegenstand und Aufgabengebiet dieses Faches ist das "Sammeln von Beobachtungsergebnissen über den großräumigen Aufbau und die zeitliche Entwicklung des Universums und der mathematische Entwurf von Weltmodellen" (I. Appenzeller, siehe in Folge)). Eine der bis heute besten Übersichten für Nichtphysiker bietet m.E. der — natürlich in vielen Einzelheiten inzwischen überholte — Sammelband Appenzeller, I. (Hrsg.) (1988) Kosmologie. Struktur und Entwicklung des Universums, 4. Aufl. Heidelberg. Er enthält 15 Beiträge der in der Materie führenden Forscher, einschließlich John Barrows, aus Scientific American / Spektrum der Wissenschaft zu den Themen: Milchstraße — Milchstraßenzentrum — Andromedagalaxie — Scheibengalaxien — Spiralgalaxien — Galaxien im Frühzustand — Quasare — Gravitationslinsen — Galaxienhaufen — Superhaufen — Entstehung der Galaxienhaufen — Kosmischer Röntgenhintergrund — Raum und Zeit — Materie und Antimaterie — Zukunft des Universums. Der Herausgeber Immo Appenzeller [Photo rechts], bis 2005 Professor der Astronomie in Heidelberg und Direktor der Landesternwarte Heidelberg-Königstuhl, sowie 1994—1997 Generalsekretär der Internationalen Astronomischen Union (IAU), ist der wohl profilierteste und vielseitigste Kosmologe Deutschlands und ein Mann der Superlative: Gründungsvater der Europäischen Südsternwarte [European Southern Observatory, ESO] in Chile, des größten, fortschrittlichsten und wissenschaftlich produktivsten Observatoriumskomplexes der Welt, und Projektverantwortlicher für die in München und Göttingen entwickelte Zukunftstechnologie FORS, dem Gehirn und der Feinmotorik der vier zentralen 8, 2 Meter VLT-Spiegelteleskope [Very Large Telescopes] von ESO. FORS 1 und 2 und ihre Nachfolger sind die leistungsfähigsten astronomischen Instrumente am Beginn des 21. Jahrhunderts, die u.a. die am weitesten entfernten Galaxien, Galaxienhaufen und Gammablitze plus Supernovae entdeckten. Durch das im Bau befindliche Großteleskop der Extraklasse [Extremeley Large Telescope, ELT] mit einem 39-Meter-Spiegel der Firma Schott (Mainz) wird ESO endgültig die kosmologische Spitzenforschung der Zukunft definieren.

Barrow benennt nun acht Schranken dieser physikalischen Kosmologie bzw. physikalischer Theorien für Alles. Sie hängen insbesondere damit zusammen, dass dieser Versuch über die mathematische Naturwissenschaft unternommen wird und die Mathematik methodisch nur einen Gesichtspunkt der Wirklichkeit erfasst, sie also nur „unvollständig und bruchstückhaft“ abbildet (Barrow, ebd. 16). Barrow korrigiert damit den wissenschaftstheoretisch naiven Naturalismus und Reduktionismus etwa in Michael Esfelds Einführung in die Naturphilosophie (2. Aufl. Darmstadt, 2011, Kapitel 6 und 8). In Folge bieten wir eine Skizze dieser acht Schranken in acht Gegenstandsbereichen der physikalischen Forschung und Theoriebildung. Wer darüber hinaus das Agieren der Physiker in der durch diese acht Schranken abgesteckten Arena tagesaktuell verfolgen will, kann dies etwa in der Veröffentlichungsliste zur Kosmologie auf www.spektrum.de tun. Er wird erkennen, dass im Sinne des Wissenschaftstheoretikers Paul Feyerabend "alles geht" und buchstäblich nichts, einschließlich der Existenz der Schwerkraft, unhinterfragt ist: Zu jeder Theorie gibt es eine oder mehrere Gegentheorien und jede Theorie gerät früher oder später in Konflikt mit neuen Beobachtungen und / oder experimentellen Daten.

Diese Arena gleicht daher vielleicht noch treffender einem Billardtisch und die kosmologischen Theorien Billardkugeln. Die Theorien / Kugeln werden von den Spielern alias theoretischen Physikern angestoßen bzw. lanciert. Sie prallen ein ums andere Mal an die Schranken bzw. Außenbande und stoßen mit anderen Theorien / Kugeln zusammen. Sie bewegen sich hin und her und in alle möglichen Richtungen, ohne je zur Ruhe zu kommen. Noch etwas macht der Billardtisch-Vergleich in einer geradezu anstößigen Weise sinnenfällig: Physikalische Kosmologie als Totalerklärung des Universums kann in wissenschaftsphilosophischer Evaluation nicht mehr sein als ein Spiel für Intellektuelle. Ein Spiel mit einem durch Barrows acht Schranken oder Banden begrenzten Spielfeld. Der Spieltisch ist nicht die Wirklichkeit, sondern steht in der eigentlichen und unendlich viel größeren und komplexeren Wirklichkeit des Seins, Lebens und Geistes. Echte wissenschaftliche Forschungsergebnisse erbringt die physikalische Kosmologie nur für den begrenzten Bereich des Spielfeldes. Wer die physikalische Kosmologie als Theorie für alles vorbringt oder annimmt, hat entweder keine belastbare fachübergreifende Orientierung oder arbeitet in alarmierendem Umfang mit Verdrängung und Verleugnung der Wirklichkeit.    

Schranke 1: Naturgesetze

Naturgesetze sind die formale Grammatik (Syntax) des Kosmos. Mathematische Naturgesetze sind algorithmisch komprimierte Kurzformeln von Regelmäßigkeiten oder Invarianzen in den Beobachtungsdaten. Sie können daher nur lineare (summierbare) und analysierbare Bereiche der Natur erfassen. Globale (holistische, chaotische) und hyperkomplexe Informationen bleiben nicht im „Netz“ hängen. Außerdem sind logisch jeweils fünf unterschiedliche Verhältnisbestimmungen zwischen (a) dem Universum und den Naturgesetzen, (b) dem Universum und dem Absoluten (Göttlichen), (c) den Naturgesetzen und dem Absoluten (Göttlichen) möglich (Barrow 1994, 42—49). [Bild rechts, Rathaus Thorn 1580: Nikolaus Kopernikus, 1473—1543, Theologe und Kanzler des Fürstbistums Ermland in Ostpreußen, der parallel als Astronom das heliozentrische Weltbild der klassischen neuzeitlichen Physik begründete; er gilt darüber hinaus als bedeutendster Wirtschaftswissenschaftler und Geldtheoretiker der frühen Neuzeit]

Schranke 2: Anfangsbedingungen

Anfangsbedingungen sind die inhaltlichen Axiome oder Datenbasis des Kosmos. Hier sind folgende vier Sachverhalte zu beachten:
(a) Es gibt keine Vollständigkeit und Widerspruchsfreiheit in der Beschreibung der Anfangsbedingungen. Gödel zeigte bekanntlich die Unmöglichkeit eines vollständigen Axiomensystems für die natürlichen Zahlen (Arithmetik): Alle widerspruchsfreien Axiomatisierungen der Zahlentheorie enthalten nichtentscheidbare Aussagen (1. Gödel'scher Unvollständigkeitssatz). Dieser besagt also, dass wir von keiner auch nur elementar leistungsfähigen mathematischen Theorie erkennen bzw. beweisen können, ob bzw. dass sie vollständig ist. Außerdem kann die Widerspruchsfreiheit des Axiomensystems nicht innerhalb des Systems bewiesen werden (2. Gödel'scher Unvollständigkeitssatz). Reichenbach war zwar der Auffassung, dass die Gödelsätze für die angewandte Mathematik nicht bedeutsam sind, da hier kein formaler Beweis der Widerspruchsfreiheit nötig sei insofern "ein System der angewandten Mathematik ein interpretiertes axiomatisches System" ist (Werke I, Braunschweig / Wiesbaden 1977, 66). Das ist sicher für den physikalischen Normalbetrieb bedenkenswert und richtig, auch wenn Reichenbach selbst hier ein Restrisiko anerkennt. Ganz anders sieht die Sache allerdings bei spekulativen Weltformeln wie der Multiversumtheorie aus, die in letzter Instanz eben ein platonisches Universum annimmt, das eine globale mathematische Theorie sein soll.

(b) Das weist bereits darauf hin, dass Wahrscheinlichkeit und Intuition der Weg zu universellen Einsichten sein müssen und nicht logisch-mathematische Ableitung. Dies gilt aber noch aus einem anderen Grund, nämlich diesem: Die physikalische Methode und formale Wissenschaftssprache ist „mit einem schwerwiegenden Verzicht verknüpft“, dem Verzicht auf die dynamische „unendliche Fülle der Wirklichkeit“ und auf deren intuitive und begriffliche Erfassung [Heisenberg (1989) Ordnung der Wirklichkeit, München / Zürich, 41]: „Die Mathematik kann „nicht als Ausgangspunkt für eine Ordnung der Wirklichkeit gebraucht werden.“ (Heisenberg 1989, 46) Sie ist eine analytische Technik, „Sätze ... durch ein ... Schlußsystem aus gemachten Voraussetzungen und zu Grunde gelegten Definitionen“ (ebd. 46) zu folgern. Sie kann aber nicht die Wahrheit der Voraussetzungen und Definitionen herleiten: "Sie kann nicht inhaltlich den Ausgangspunkt bilden für eine Ordnung der Wirklichkeit.“ (ebd. 47) Auch „der Gang der Forschung“ benötigt insbesondere bei neuen Entdeckungen „intuitives Denken“, nicht nur formale „Systeme von Begriffen und Axiomen“ (Heisenberg 1989, 43). Die historisch ausgerichtete Wissenschaftstheorie der Gegenwart (Kuhn, Feyerabend) fußt auf dieser Einsicht.

(c) Es ist keine Verallgemeinerbarkeit unserer Anfangsbedingungen möglich wegen deren  extremer physikalischer Unwahrscheinlichkeit: „Wenn Dinge sich in geschlossenen Systemen offenbar unweigerlich zum 'Schlimmen' hin (= thermisches Gleichgewicht = völlige Unordnung) hin entwickeln, so deshalb, weil die Anfangsbedingungen, die für eine Zunahme von Ordnung nötig sind [wie in unserem Universum], nur mit außerordentlich geringer Wahrscheinlichkeit auftreten“ (Barrow 1994, 59).

(d) Die praktische Nichtberechenbarkeit der inhaltlichen Bestimmungen (Anfangs- oder Randbedingungen) des Kosmos ist wegen ihrer (i) chaostheoretischen Komplexität, (ii) quantentheoretischen Unbestimmtheit und (iii) des Fakts chaotischer Axiome in der Mathematik (Chaitin'sche Gleichungen) eine Tatsache. Zu (iii): „Selbst die Arithmetik enthält Zufälligkeiten. Einige ihrer Wahrheiten lassen sich nur durch den Versuch erforschen“ (Barrow 1994, 67). Weitere Probleme ergeben sich bei der Durchführung der drei bekannten kosmologischen Modelle: (A) Anfangsloses, stetig expandierendes Weltall (steady-state-theory) ohne Anfangsbedingungen. Dieses Modell kämpft recht erfolglos mit der Zersplitterung und Auflösung jeder Ordnung und Stabilität durch die Entropie entsprechend dem 2. Hauptsatz der Thermodynamik. (B) Modell der kosmischen Inflation: extrem beschleunigte frühe Aufblähung oder Expansionsphase nach einem Urknall als Bedingung einer einheitlichen großräumigen Ordnung in der entstehenden kosmischen Blase. Das bedeutet aber auch für dieses Modell, dass wir nur einen winzigen Teil der Anfangsbedingungen des ursprünglichen unendlichen Universums kennen: „Wir können ... niemals alle Anfangsbedingungen in Erfahrung bringen. Sie sind dazu verdammt, immer im Bereich von Philosophie und Theologie zu bleiben“ (Barrow 1994, 72). Außerdem ist nach der Relativitätstheorie die Raumzeit unseres Universums auch unsere Erkenntnisgrenze und nach der Quantentheorie entsteht das Universum gemeinsam mit der Zeit aus dem virtuellen Nichts der randfreien (= ohne Randbedingungen) zeitlosen globalen Wellenfunktion (Barrow 1994, 92—98). (C) Modell des Multiversums: Hier ist die Suche nach universellen Randbedingungen gegenstandslos, da unendlich viele unterschiedliche Universen mit allen nur denkbaren, nichtallgemeingültigen Variationen von Randbedingungen real existieren. Wegen der Aporien von (B) und (C) hat sich inzwischen ein weiteres (D) Modell des zyklischen Universums etabliert. Dessen Vordenker ist Paul Steinhardt (Princeton, Foto rechts), der früher einer der Väter der Theorie der kosmischen Inflation war. Er hält Letztere heute für eine teils unüberprüfbare teils faktenwidrige Spekulation und das Multiversum für eine denkerische Sackgasse: "Neuere Messungen der kosmischen Hintergrundstrahlung [durch das Planck-Weltraumteleskop der Europäischen Weltraumorganisation] wecken Zweifel am gängigen Inflationsmodell [...] Außerdem müsste die Inflation urtümliche Gravitationswellen erzeugen, die bisher nicht nachgewiesen wurden. Angesichts der Beobachtungsdaten sollten Kosmologen das herrschende Paradigma überdenken und alternative Modelle für die Anfänge des Alls in Betracht ziehen." (A, Iiljas / A. Loeb / P. J. Steinhardt: Inflation in der Kritik. In: M. Beckers (Hrsg.): Die Struktur des Kosmos, Berlin / Heidelberg: Spektrum der Wissenschaft 2017, 6—7) Natürlich ist auch die Idee des zyklischen Universums hochspekulativ und stößt an die hier thematischen Schranken der Physik. 

Schranke 3: Kräfte und Teilchen

Wenn die Naturgesetze die Programme (software) des Weltalls sind, und die Anfangsbedingungen das Betriebssystem, dann sind die Elementarteilchen und Kräfte das physikalische Medium (hardware). Deren Erkenntnis und Berechenbarkeit nach Art und nach Zahl hängt von eichtheoretischen und geometrischen Symmetrien ab. D.h. wir können deren Existenz nur dann feststellen, wenn die Anzahl der Typen oder Klassen von Elementarteilchen und Grundkräften endlich und überschaubar ist. Aber: „Wie wissen wir, ob sich unser ganzer Ansatz ... nicht in ein viel größeres System einordnen läßt? Dieses würde dann Eigenschaften der Welt entsprechen, die wir uns noch gar nicht vorstellen können.“ (Barrow 1994, 108). Die Suche der Elementarteilchen-Physik nach immer kleineren und grundlegenderen Teilchen und Kräften: von Atomen zu Protonen, Neutronen und Elektronen, von diesen zu Strings, weiter zu Superstrings, oder zu Membranen und Spins, schließlich zur Quintessenz und Matrix etc. ist eine „unendliche Spirale“ (ebd. 116).

Schranke 4: Naturkonstanten

Die Geltung der Naturkonstanten ist nur faktisch, relativ und eventuell im kosmischen Maßstab nur lokal. Grundlegende Konstanten sind die Gravitations- und die Feinstrukturkonstante sowie der Quotient aus Protonen- und Elektronenmasse. Diese bestimmen die Struktur der Atome und Moleküle. Wenn z.B. die Stringtheorie mit der Annahme von 10 Raumdimensionen Recht hat, dann müssten „die wahren Naturkonstanten im gesamten Bereich der Raumdimensionen definiert“ werden (Barrow 1994, 137) und nicht nur ausgehend von unserer eingeschränkten dreidimensionalen Welt. Eventuell stellt sich die Stringspannung einmal als wirkliche fundamentale Naturkonstante heraus. Außerdem leben wir in einer physikalisch äußerst unwahrscheinlichen Welt (Anthropisches Prinzip) und können schon von daher nicht ohne weiteres die 'Maße' unserer speziellen kosmischen Wohnung absolut setzen.

Schranke 5: Symmetriebrechungen

Symmetriebrechungen sind Voraussetzungen für Leben. Die alltägliche und wissenschaftliche Verstehbarkeit der Welt hängt von der begrifflichen Vereinfachung und gesetzmäßigen Verdichtung linearer (summierbarer), einfacher analysierbarer Phänomene ab. Es gilt: Je extremere Energien und Temperaturen desto größere Regelmäßigkeit, Symmetrie und Einfachheit der Phänomene, aber auch desto größere Totheit und Starrheit. Leben und eine diversifizierte Biochemie hängt dagegen von Symmetriebrechungen und einer kühlen Welt mit niedriger Energie ab. Symmetriebrechungen implizieren aber stets eine nichtlineare Dynamik (Chaos) und damit wieder fehlende Berechenbarkeit. Diese Schranken der Erfahrung und Berechenbarkeit haben zum Resultat, dass das aktuelle Standardmodell der Teilchenphysik nur 4 % der physikalischen Realität des Kosmos (Materie und Strahlung) erfasst und erklärt [siehe obiges Diagramm, NASA online]: Das Standardmodell identifiziert und erklärt nicht die Dunkle Materie (22 % des Kosmos), die Dunkle Energie (74 % des Kosmos) und die Dauer und Konstanz des Kosmos trotz der unvorstellbaren Vakuumenergie der virtuellen Quantenfelder, die nach dem Standardmodell den Kosmos augenblicklich explodieren lassen müssten: „Die Naturgesetze erlauben uns nicht, das herzuleiten, was wir im Universum sehen. Und wir wissen nicht einmal, wo wir die Trennlinie zwischen jenen Aspekten ziehen sollen, die Gesetzen zuzuschreiben sind, und jenen, die sich zufällig ergeben.“ (Barrow 1994, 177)

Schranke 6: Biologische Komplexität

Zur Erklärung der qualitativen Komplexität organischer, biologischer Systeme sind erfordert (a) spezielle Organisationsprinzipien der Entwicklung der Komplexität und (b) zusätzliche Energie, da der 2. Hauptsatz der Thermodynamik (Entropiesatz) universell gilt, auch in der Quantenmechanik und Relativitätstheorie (wie S. Hawking zeigen konnte): „Eine Theorie für Alles allein kann uns nicht sagen, welche Formen organisierter Komplexität es in der Natur gibt. Solche Zustände sind stark durch ihre Zusammensetzung und ihre Entstehungsgeschichte bedingt. Sie können durch unentdeckte Regeln für die Evolution bestimmt sein, die die Entwicklung aller Formen der Komplexität beherrschen. Eine Theorie für Alles wird auf solche Probleme wie den Ursprung des Lebens und des Bewußtseins wenig oder gar keinen Einfluß haben.“ (Barrow 1994, 205)

Schranke 7: Auswahleffekte

Auswahleffekte ist hier ein anderer Name für den Sachverhalt, der auch unter dem Titel 'Schwaches Anthropisches Prinzip' verhandelt wird. Wir haben nur Zugang zu dem partiellen Realitätsfenster unserer kosmischen Wohnung [Foto links: Erde Östl. Hemisphäre]: Es „hat sich ... gezeigt, dass das Universum eine bemerkenswerte Ordnung aufweist, und Materie und Energie weithin auf höchst unwahrscheinliche Weise verteilt sind. Es läßt sich schwer erklären, wie sich aus dem willkürlichen Chaos des Urknalls von selbst eine derart glückliche Anordnung ergeben haben soll [...] Nur in einem verschwindenden Teil davon wäre alles so aufeinander abgestimmt, daß lebende Organismen und damit Beobachter entstehen. Aus diesem Grund wird immer nur dieser sehr untypische Teil beobachtet. Unser Universum ist, kurz gesagt, deshalb bemerkenswert, weil wir es durch unsere Existenz ausgewählt haben!“ (Davies/Brown (1988) Superstrings. Eine allumfassende Theorie?, Basel / Boston / Berlin, 51—52).

Schranke 8: Denkkategorien

Die durch Denkkategorien gezogene Schranke ergibt sich aus Folgendem: Präzise Anwendbarkeit unserer mathematischen Begriffe und Denkoperationen, d.h. totale Berechenbarkeit besteht bekanntlich nur in der Aussagenlogik und Prädikatenlogik 1. Stufe. Dies ist hinreichend zur Orientierung in unserer kosmischen Wohnung, aber nicht zur Kognition der Totalität der Welt (Bohr), da (a) kein kognitives System oder Programm sich selbst total verstehen und simulieren kann und (b) die Anwendung logisch-mathematischer Denkkategorien an drei Grenzen stößt: Nichtlinearität (komplexe chaotische Systeme) — Nichtlokalität (chaotisches Verhalten von Raum und Zeit, z.B. in der Quantenmechanik, s.o.) — Symmetrie-/Invarianzhäufung (d.h. zuviele Regeln führen wegen Unüberschaubarkeit zur Unerkennbarkeit der Invarianzen / Regeln).

Bekanntlich war v.a. der späte Platon und seine unmittelbaren Nachfolger wie viele heutige Weltformeltheoretiker davon überzeugt, dass die Realität letztlich mathematischen Formen und Gesetzen folgt, in mathematischen Ideen gründet. Gegenüber dieser wissenschaftlichen Monopolstellung der Mathematik hat die aristotelische Wissenschaftstheorie und Philosophie der Mathematik größere Plausibilität, wonach es drei autonome Bereiche theoretischen Wissens gibt mit je eigenen Methoden und Gegenständen: Physik (pragmatische Lebenswelt: Wirkungen der Naturgesetze) — Mathematik (quantifizierbarer Teilbereich der Welt: Naturgesetze) — Metaphysik (substanzielle Struktur- und Prozessprinzipien der Dinge: Metawelt). Dies schließt eine enge Symbiose und wechselseitige Beeinflussung und Befruchtung von Mathematik und Physik, welche geschichtliches Fakt ist, nicht aus, sondern ein.

Wichtige Platonforscher der Gegenwart sehen allerdings keinen solchen grundlegenden Gegensatz zwischen Platon und Aristoteles — unbeschadet der sehr kritischen, aber auch sehr differenzierten Behandlung der platonisch-pythagoräischen Mathematik in den Büchern M [XIII] und N [XIV] von Aristoteles' Metaphysik. So macht man darauf aufmerksam, dass Platon zwar behauptet, "Begriffe wie Einheit, Identität, Gleichheit, Linie, Kreis, Fläche, Dreieck, Würfel seien nicht nur subjektive Denkprodukte, sondern hätten eine einsehbare Realität, er [aber nicht] behauptet ... (wie z.B. Galilei), diese konkrete empirische Welt sei wie eine Art Uhrwerk eine exakte Verkörperung dieser intelligiblen Realitäten [...] Das einsehbar Wirkliche ist im Bezug auf die empirische 'Realität' vielmehr etwas nur mögliches, es sind Vorgaben für mögliche Prozesse, die mehr oder weniger von diesen Vorgaben bestimmt sein können [...] Die euphorische Überbewertung der 'Wirklichkeit', als sei sie ganz und gar von Regel und Gesetz durchdrungen und daher — prinzipiell — ohne Rest mathematisch berechen- und rational erklärbar, könnte Platon nicht teilen. Er denkt unter diesem Aspekt erheblich moderner“ (Schmitt: Die Moderne und Platon, Stuttgart 2008, 237—240; vgl. dazu auch Wilholt: Zahl und Wirklichkeit. Eine philosophische Untersuchung über die Anwendbarkeit der Mathematik, Paderborn 2004). Siehe dazu mehr im folgenden Abschnitt!

Weiterführende Literatur zur Kosmologie: Weinberg, S. (1977) Die ersten drei Minuten, München; Appenzeller, I. (Hrsg.) (1988) Kosmologie. Struktur und Entwicklung des Universums, 4. Aufl. Heidelberg; Barrow, J. D. (1991) Theories of Everything. The Quest for Ultimate Explanation, Oxford; Neubearbeitung als: New Theories of Everything, Oxford 2007; [Dt: (1992) Theorien für Alles. Die philosophischen Ansätze der modernen Physik, Heidelberg/Berlin/New York (TB: Reinbek 1994)]; Barrow, J. D. (1994) Ein Himmel voller Zahlen. Auf den Spuren mathematischer Wahrheit, Heidelberg/Berlin/New York; Willems, K. (1994) Das neue Erkenntnisproblem. Erkenntniskritische Überlegungen zum „anthropischen Prinzip“ in der neueren Physik. In: Kant-Studien 85, 179–197; Fischer, J. M. (1994) The Metaphysics of Free Will, Oxford; Hawking, S. W. (1997) Eine kurze Geschichte der Zeit. Die Suche nach der Weltformel, Reinbek bei Hamburg; Rees, M. (1999) Just Six Numbers, London, und ders.: Our Cosmic Habitat, London 2001; Dürr, H.-P. (2000) Das Netz des Physikers, 3. Aufl. München; Kane, G. (2003) Neue Physik jenseits des Standardmodells. In: Spektrum der Wissenschaft 9/2003, 26—33; Wilholt, T. (2004) Zahl und Wirklichkeit. Eine philosophische Untersuchung über die Anwendbarkeit der Mathematik, Paderborn; Dorato, M. (2005) The Software of the Universe. An Introduction to the History and Philosophy of Laws of Nature, Aldershot; Unzicke, A. (2010) Vom Urknall zum Durchknall. Die absurde Jagd nach der Weltformel, Berlin / Heidelberg; Esfeld, M. (2011) Einführung in die Naturphilosophie, 2. Aufl. Darmstadt, Kapitel 6 und 8; Beckers, M. (Hrsg.) (2017) Die Struktur des Kosmos, Berlin / Heidelberg: Spektrum der Wissenschaft.

Zahlentheorie und Physik

Nach einem Wort des „Fürsten der Mathematiker“ Carl Friedrich Gauß (1777—1855) ist „die Mathematik ... die Königin der Wissenschaften, und die Arithmetik [Zahlentheorie] ist die Königin der Mathematik.“ Grundlegend die Disquisitiones Arithmeticae von 1801. [Bild rechts: C. F. Gauß auf der früheren 10-DM-Banknote 1991—2001] Gauß ist von Platon und Pythagoras (570—510 v. C.) inspiriert, den Aristoteles und die Antike überhaupt den „Begründer der Mathematik“ nennen und dem die Aussage „Alles ist Zahl“ zugeschrieben wird. Pythagoras hat dabei mit an Sicherheit grenzender Wahrscheinlichkeit bei Forschungsaufenthalten in Ägypten und Babylonien das mathematische Wissen dieser ältesten Hochkulturen mit aufgearbeitet. In den vergangenen Jahren hat die platonische Zahlentheorie, Wissenschaftstheorie und Kosmologie auf verschiedenen Wegen neue Aufmerksamkeit gefunden und wird in Natur- und Geisteswissenschaften sehr ernsthaft erörtert. Einer dieser Ansätze ist die oben vorgestellte Multiversumtheorie.

Zahlentheorie: Innovatives Forschungsparadigma

Ein weiterer Anstoß und wichtige Argumente stammen von dem provokativen Grundlagenforscher und Querdenker Peter Plichta. Plichtas Buch mit dem in seiner Dramatik zugegebenermaßen gewöhnungsbedürftigen Titel Gottes geheime Formel. Die Entschlüsselung des Welträtsels und der Primzahlcode, 8. Auflage München 2006, bietet eine allgemeinverständliche Zusammenfassung — eingebettet in einen biographischen Rahmen. Interessierten Mathematikern und Naturwissenschaftlern vermittelt ein Vortrag an der Technischen Universität Ilmenau (07.06.2005) einen durch 83 Folien unterstützten Einstieg, abrufbar unter www.plichta.de. Plichtas großes Selbstbewusstsein, verbunden mit sehr offener Kritik an Grenzen und Mängeln des wissenschaftlichen Normalbetriebs („Oberflächlichkeit, Fachgelehrtentum, Ignoranz und Hybris“), wirkt herausfordernd. Wie gereizt Kollegen unter zähneknirschender Anerkennung auf die in Rede stehenden Forschungsergebnisse eingehen, zeigt z.B. folgende Buchbesprechung:
„Seit 1991 veröffentlicht Peter Plichta als Privatgelehrter seine Ergebnisse auf den Gebieten Logik, Zahlentheorie und Mathematik. Die Rezeption des rationalen Kerns dieser Arbeiten wird in der Fachwelt dadurch erschwert, dass Plichta für die Veröffentlichungen dieser Überlegungen wiederholt einen Stil gewählt hat, der in den Naturwissenschaften als unangemessen gilt. Jedoch haben u. a. die Strukturchemiker Jan C. A. Boeyens und Demetrius C. Levendis seine Anregungen aufgegriffen und in einer Monographie weiterentwickelt.“

Gemeint ist mit Letzterem die ausführliche fachtechnische Ausarbeitung seitens eines der führenden Vertreter des Gebietes der Theoretischen Chemie, Jan C. A. Boeyens (University of Pretoria, Südafrika) und seines Kollegen Demetrius C. Levendis. Vgl. Boeyens / Levendis: Number Theory and the Periodicity of Atomic Matter, Dordrecht: Springer Netherlands 2008, 374 S. Boeyens hat das Thema des Buches — im Rahmen einer Gastprofessur — zusammen mit Professor Peter Comba und anderen Fachkollegen am Anorganisch-chemischen Institut der Eberhard-Karls-Universität Heidelberg zur Reife gebracht. Boeyens hat inzwischen ein zweites Werk zum Thema vorgelegt, betitelt A Chemistry from First Principles, Dordrecht: Springer Netherlands 2008, 322 S. Das Buch erschien wieder in diesem vielleicht renommiertesten naturwissenschaftlichen Fachverlag, der es so vorstellte: „Jan Boeyens, one of the leading professors of theoretical chemistry, is confronting the main stream theories of relativity, quantum theory, wave-particle duality, orbital angular momentum, atomic shape and chemical bonding in the second part of this book with an alternative theory of the periodic laws, chemical interaction, structure theory and even cosmology. This truly extraordinary book has to be seen as an extension of his monograph on Number Theory and the Periodicity of Matter.“ Hier ein Überblick grundlegender Aussagen dieses Ansatzes:

[Prim-]Zahlen steuern Aufbau und Verhalten der Realität in Biochemie, Kernchemie, physikalischer Astronomie.

Dies entspricht der Einsicht bzw. Vermutung der Pythagoräer und später Platons in dem kosmologischen / naturphilosophischen Dialog Timaios sowie überhaupt des Platonismus in Antike, Mittelalter, Neuzeit und Moderne (Newton, Leibniz, Kepler, Euler, Gauß): Zahlen und ihre Gesetze bestimmen in wichtiger Hinsicht die Dinge oder unsere physikalische Ontologie (Plichta 2006, 203).

„Alle physikalischen Abläufe, zum Beispiel der radioaktive Zerfall, die barometrische Höhenformel, die Raketengleichung oder die Entropieänderung, gehorchen Gleichungen nach dem natürlichen Logarithmus. Da die Abnahme der Primzahlen ebenfalls mit dem natürlichen Logarithmus verknüpft ist, muß unsere physikalische Welt eine Folge der Primzahlverteilung sein“ (Plichta 2006, 13—14).

Die ersten drei Zahlen 1, 2, 3 sind die Bausteine aller Zahlen (2006, 216). Mit ihnen können alle Zahlen begrifflich eindeutig abgeleitet bzw. konstruiert werden. Auch dies ist ein zentrales Axiom der antiken Arithmetik, das auf Platon zurückgeht (2006, 162).

Aus dieser Primzahlenstruktur können die Konstanten der Chemie, Physik und Biologie wie auch der Aufbau des Periodensystems der Elemente (PSE), also letztlich der Atome und ihrer Elektronenschalen hergeleitet oder begründet werden (2006, 191, 213—224, 226): „Die chemischen Elemente bauen auf der Ordnung der natürlichen Zahlen auf“ (2006, 235).

Dasselbe gilt für die grundlegenden mathematischen Konstanten des natürlichen Logarithmus (Eulersche Zahl) e und der Kreiszahl π [Pi]: „Die Zahl e liefert die Ordnung der fortlaufenden Zahlen, wobei es nur auf die Struktur und Verteilung der Primzahlen ankommt“ (2006, 237—247).

„Die gesamte Höhere Mathematik in ihrer ungeheuren Vielfalt und Kompliziertheit [ist] in Wirklichkeit die Kostümierung der Primzahlen“ (2006, 248).

Einen gerafften Überblick über diesen Forschungsansatz bietet die folgende Verknüpfung:

Physik8_Zahlentheorie.pdf

Zahlentheorie: Aktualisierte Universalwissenschaft

Ein dritter Anstoß zur Neuverhandlung des Verhältnisses von Mathematik und Physik geht aus von der Untersuchung der ursprünglichen platonischen Mathematik und Physik selbst. Die Aussagen und Argumente der platonischen Mathematik, Wissenschaftstheorie und Physik erfahren m.a.W. zur Zeit eine aktuelle hermeneutische Aufarbeitung. Sie geht auf ein Forschungsprogramm bzw. eine Schule der Klassischen Philologie zurück. Deren Begründer und charismatische Leitfigur ist Professor Arbogast Schmitt. Diese Schule konfrontierte die Wissenschaftsgemeinschaft der Gegenwart neu mit dem systematischen Anspruch von Platons Philosophie und Theorie der Mathematik. Schmitt ist heute Lehrstuhlinhaber für Gräzistik am Seminar für Klassische Philologie der Philipps-Universität Marburg und gilt als ein international führender Platoexperte. Seine Schüler vertreten und verkörpern an zahlreichen Universitäten das Fach Gräzistik. Die vielbeachtete Programmschrift der Schule ist Schmitt, Arbogast: Die Moderne und Platon. Zwei Grundformen europäischer Rationalität, 2. Aufl. Stuttgart 2008, 596 S. Sie hat bereits jetzt eine beachtliche Wirkungsgeschichte. Zum hier in Rede stehenden Thema ist das Grundbuch Radke, Gyburg: Die Theorie der Zahl im Platonismus. Ein systematisches Lehrbuch, Tübingen/Basel 2003, 830 S. Da auch ich zu den Schülern Arbogast Schmitts zähle, darf ich diese philologisch-hermeneutische Aufarbeitung der platonischen Mathematik aus erster Hand skizzieren. In Folge die wichtigsten Thesen:

(1) Antike Arithmetik ist erkenntnistheoretische Herleitung der Grundbegriffe der Mathematik.

(2) Mathematik ist Universalwissenschaft [koinê mathematikê epistêmê / mathesis universalis].

(3) Die Basisannahmen der neuzeitlichen Mathematik und Physik enthalten (wenn auch nicht intendiert) mehr Metaphysik als die platonische Ideenlehre.

(4) Bedeutung der Zahl für die begriffliche oder ideelle Erkenntnis: Das 7. Buch von Platons Staat [Politeia].

(5) In der Reflexion auf die Erkenntnisbedingungen des Seins entfaltet das Denken die Erkenntnisbedingungen der Zahl.

(6) Begriffliche Interpretation und Identifizierung der Wahrnehmungsobjekte [= Hypothesis / Zu-Grunde-Legung der Idee] hat transzendentale Grundbegriffe zur Voraussetzung.

(7) Die theoretische Arithmetik ist die Grundlagendisziplin für die transzendentalen Grundbegriffe wissenschaftlicher Erkenntnis.

(8) Ursprung der artes liberales und der Mathematiktheorie der Tradition im Platonismus.

(9) Generative Zahlen: Einheit (Monas) — Zweiheit (Dyas) — Dreiheit (Trias) und die weiteren Primzahlen.

(10) Die moderne Axiomatisierung der Arithmetik [Peano'sche Axiome] setzt das System der Natürlichen Zahlen als gegeben voraus.

(11) Vorrang der begrifflichen Arithmetik vor geometrischer Anschauung und Konstruktion.

(12) Arithmetik impliziert Geometrie: Zahlwissen ist implikatives Wissen geometrischer Figuren.

(13) Zahlwissen impliziert auch die Synthesis dreidimensionaler stereometrischer Figuren.

(14) Belege: Arithmetische Folgen von Polygonalzahlen als Formeln regelmäßiger Polygone [Figurierte Zahlen] — Polyederzahlen als Formeln platonischer Körper — Quadratische Gleichungen als Formeln der Kegelschnitte [Ellipse, Parabel, Hyperbel] — Arithmetische Lösungen des Satzes von Pythagoras.

Eine weiterführende Übersicht enthält diese Datei:

Physik9_Universalmathematik.pdf

Zur antiken Arithmetik und Mathematik überhaupt ist ergänzend wichtig die Aristotelische Theorie der Mathematik in ihrem Verhältnis zur Physik: Aristoteles und die aristotelische Tradition (z.B. Thomas Aquinas) bestimmen — in Auseinandersetzung mit Pythagoras, Platon und Platons Nachfolger Speusippos — die ontologische Stellung der Mathematik und ihrer Gegenstände so, dass Quantität ein Akzidenz an physischen Substanzen ist. Gegenstand der Mathematik sind diskrete und kontinuierliche Quantität der physischen Dinge, also Zahlen und Figuren. [Bild rechts: Pythagoras. Auschnitt aus der "Schule von Athen" Raffaels (1509/10), Vatikan: Stanzen della Segnatura]

Aristoteles hält für ausreichend geklärt, "dass die Gegenstände der Mathematik nicht in höherem Sinne Wesen [Substanzen] sind als die sinnlichen Körper, noch dem Sein nach früher als das Sinnliche, sondern lediglich dem Begriff nach, noch endlich irgendwo getrennt für sich existieren können" (Metaphysik M, 1077b). Und: "Die mathematischen Wissenschaften sind nicht Wissenschaften vom Sinnlichen, aber ebensowenig haben sie getrennte, selbstständige Strukturen außer dem Sinnlichen zu ihrem Gegenstand." (ebd., 1078a). Mathematische Gegenstände sind daher auch – so Aristoteles – in keiner Hinsicht Ursache: "Die Zahl ist weder als hervorbringend [Wirkursache] Ursache ... noch als Stoff [Materialursache] noch als Begriff und Formbestimmung der Dinge [Formursache]; aber auch nicht als Zweck [Zweckursache]" (Metaphysik N, 1092b).

Die Quantität ist jedoch ein grundlegendes Akzidenz der physischen Substanzen. Sie individuiert die Substanzen (kantisch: Dinge an sich), welche an sich überindividuelle dynamische Allgemeinstrukturen [Eidos und Entelechie] sind. Die Quantität ist so eine Quasisubstanz [fachtechnisch: Substantiale, phänomenale Substanz] der empirischen Einzeldinge (kantisch: Dinge in der Erscheinung) und Träger der anderen Akzidenzien.

Die aristotelische Scholastik nannte den Gegenstand der Mathematik das Ens quantum [Quantitatives Wesen / formalontologischer Gegenstand]. Dies ist das individuelle physische Ding [res naturalis individualis resp. substantia prima] ohne die sinnliche Materie konkreter Eigenschaften (Qualitäten) und individueller Koordinaten und Beziehungen (Relationen). Die Quantität alleine prägt der Einzelsubstanz oder dem Ding nur und genau eine materia intelligibilis / mathematica auf, eine intelligible mathematische Materie. Ein modernes Plädoyer für die aristotelische Sicht der Stellung der Mathematik in der Natur ist grosso modo Bernulf Kanitscheider: Natur und Zahl. Die Mathematisierbarkeit der Welt, Berlin / Heidelberg 2013.

Folgende Präsentation stellt diesen Sachverhalt in den größeren Zusammenhang der Struktur und Ontologie des Erkenntnisprozesses nach Aristoteles und Thomas von Aquin:

Schema_Kogn_Aquin_1_optimiert.pdf

Quantenmechanik und Bewusstsein

Zwei-Aspekte-Theorie

Auch von der Physik wird aufgrund der Herausforderungen der Quantenmechanik (Kopenhagener Interpretation!) der Zusammenhang von Geist, Bewusstsein und physikalischer Realität heute intensiv erörtert. Eine verbreitete Diskussionsgrundlage ist dabei die Zwei-Aspekte-Theorie (Dual-Aspect-Theorie; vgl. auch die Identitätstheorie in der Philosophie des Geistes) von:

(1) Mentales / Geist — 1. Person-Perspektive
(2) Physisches / Materie — 3. Person-Perspektive
(3) Information / Bedeutungen — Gemeinsame Basisebene (Ideen)

Die Ebene (3) Information gilt als die gemeinsame Basisebene von (1) und (2). Mentales und Physisches werden als durch eine prästabilierte Harmonie auf der Basis von (3) verbunden gedacht.

Die Ebene (2) Physisches verkörpert eine ontologische Ordnung oder Information implizit im zeitlosen, holistischen, virtuellen Quantenuniversum. Explizit gemacht wird diese Information aber erst in der Beobachtung oder Messung als epistemische oder Erkenntnisordnung in der zeitbestimmten, lokalen, aktuellen Realität.

Auch die Ebene (1) Mentales verkörpert eine ontologische Ordnung oder Information implizit im zeitlosen, kollektiven Unbewussten. Explizit gemacht wird diese Information aber erst durch Emergenz als epistemische oder Erkenntnisordnung in der bewussten, zeitlichen Kognition.

Vertreter i.w.S. der Zwei-Aspekte-Theorie waren und sind: Leibniz, Fechner, Wundt, Whitehead, Feigl, Smart, Jung, Pauli, Strawson, Atmanspacher, C. F. v. Weizäcker, Primas, Bohm, Chalmers, Görnitz.

Empirische Erklärungsansätze

Es gibt ausgearbeitete Theorien der Verbindung und Wechselwirkung von Quantenmechanik und Bewusstsein. Dabei sind v.a. vier Ansätze zu nennen. Die hohe Abstraktheit und Komplexität dieser Hypothesen wird in einer solchen knappen Skizze freilich noch einmal gesteigert, so dass sie kaum noch verständlich erscheinen. Als Übersichtsliste mag dies dennoch sinnvoll sein. Interessierte finden gut aufbereitete Information hierzu in dem Artikel 'Quantum Approaches to Consciousness' der Stanford Encylopedia for Philosophy (http://plato.stanford.edu). Hier der Überblick:

(a) von Neumann / Wigner / Stapp: Neuronales Korrelat von Bewusstsein sind hier quantenmechanische virtuelle Superpositionen auf der Ebene von Neuronenverbänden und der Kollaps der Wellenfunktion zu einem aktuellen Eigenzustand des Neuronenverbandes, mental verursacht durch Beeinflussung der Wahrscheinlichkeit und Dauer der Eigenzustände.

(b) Eccles: Der Kollaps der Wellenfunktion zu einem aktuellen Eigenzustand wird hier durch Auslösung der Transmitterausschüttung (Exozytose) der Neuronen mittels mental beeinflussbarer Quantenprozesse im Nanometerbereich zu erklären versucht.

(c) Penrose [Foto oben]/ Hameroff: Bewusste Akte sind kohärente quantenmechanische virtuelle Überlagerungszustände in den Mikrotubuli der Neurofilamente der neuronalen Zellstrukturen, welche durch Gravitation zu einem aktuellen Eigenzustand kollabieren. Dazu wird eine platonische Realität objektiver Information hinter Geist und Materie angenommen. 

(d) Umezawa / Vitiello: Wissen und Bewusstsein wird hier von Neuronenverbänden als Gedächtnisspeichern abhängig gemacht. Eine unbewusste Kodierung von Information soll einem  quantenfeldtheoretisch virtuellen Grundzustand entsprechen. Bewusste Erfassung von Information entspricht einem angeregten aktuellen Zustand.

Alle diese Ansätze sprechen richtige oder interessante Gesichtspunkte an. Für sich allein genommen wirken sie jedoch etwas hausbacken und zu wenig philosophisch reflektiert. Dies wird ohne weiteres deutlich, wenn sie gegen den Hintergrund etwa von Chalmers The Conscious Mind. In Search of a Fundamental Theory (1996) gehalten werden. Chalmers gründliches und differenziertes Buch diskutiert den Ansatz dieser Hypothesen auch ausdrücklich und zeigt ihre Grenzen auf. Hier die Hauptthesen von Chalmers Werk:

KW_Kutschera_Chalmers.pdf

Objektiver Geist — Subjektiver Geist — Physikalische Natur

Chalmers ebenfalls vielbeachteter Aufsatz Consciousness and its Place in Nature erörtert darüber hinaus besonders die vorliegende Frage nach dem Zusammenhang von objektivem Geist (Information, Bedeutungen), subjektivem Geist (Bewusstsein) und physikalischer Natur. Er erschien in Stich / Warfield: The Blackwell Guide to Philosophy of Mind, New York 2003. Der Aufsatz bietet eine Systematisierung und Wertung der zur Zeit vertretenen Standpunkte und Argumente. Chalmers präzisiert die auch von ihm geteilte Zwei-Aspekte-Theorie (Dual-Aspect-Theorie, s.o.) dahingehend, dass zum einen subjektiver Geist (Bewusstsein) nicht auf objektiven Geist (Information) reduzierbar ist, sondern eine eigene ursprüngliche Realität darstellt. Zum anderen dass die physikalische Natur zwar wesentlich objektiven Geist (Information, Bedeutungen) verkörpert, aber als zentrierte raum-zeitliche Welt der Erfahrung zugleich von subjektivem Geist (Bewusstsein) abhängt.

Chalmers differenzierte Synthese von objektivem Geist, subjektivem Geist und physikalischem Universum ist ursprünglich einer ultimativ physikalistischen Ontologie verpflichtet. Sie war damit eine Variante des nichtreduktionistischen Physikalismus, der die reale Existenz mentaler Eigenschaften und Prozesse anerkennt — aber nur als Emergenzen einer ultimativ physikalischen Substanz der Realität. Die Frage, ob man in der Philosophie der Physik beim holistischen Quantenuniversum Halt machen kann als der ultimativen physikalischen Ontologie, lag zunächst außerhalb seines Bildungsganges und seines Horizontes. Ebenso die Frage, ob in der Philosophie des Geistes ein kollektives Unbewusstes o.ä. als ultimative Ontologie des Geistes akzeptiert werden kann. Ausgangspunkt und Schwerpunkt der klassischen und modernen Erkenntnistheorie und Ontologie ist nun aber gerade die sich sachlogisch auferlegende Transzendierung der physikalistischen Weltanschauung. Erkenntnistheorie und / oder Ontologie erzwingen die Annahme apriorischer transzendentaler Bedingungen des Wissens und der Wissenschaft. Bei eindringender Kenntnisnahme erzwingen sie auch die Annahme einer metaphysischen Formatierung und damit Herkunft des Geistes. Sie erzwingen in ihrem Hauptstrang damit die Möglichkeit und Tatsächlichkeit einer nichtphysikalistischen Ontologie (siehe in Folge). Eine interdisziplinär Ernst zu nehmende Theorie des Geistes oder Bewusstseins sollte dies zumindest diskutieren. Was hier zur Diskussion steht, zeichnen die Portale zur Erkenntnistheorie sowie zur Ontologie und Philosophie des Geistes nach.

Physik auf dem Weg zur Metaphysik

David Chalmers' jüngste Entwicklung zeigt nun idealtypisch die sich sachlogisch auferlegende Transzendierung der physikalistischen Weltanschauung, die wir zuletzt angesprochen haben. Er glaubt inzwischen, dass gute Gründe dafür geltend gemacht werden können, dass (i) die physikalische Natur in ihrem Wesen ein globales Netzwerk von Informationen ist, ein kosmisches Computerprogramm, eine Matrix. Auf jeden Fall sei diese Hypothese widerspruchsfrei. Wenn sie zutrifft, impliziere sie die zwei weiteren Thesen, dass (ii) unser Geist ontologisch unabhängig von der Materie ist, und (iii), dass unsere Existenz von höheren Akteuren oder Mächten abhängt, die einer für uns nicht sichtbaren, metaphysischen Dimension der Realität angehören. Die Gotteshypothese und die Hypothese einer transzendenten Schöpfung der Welt der Erfahrung sei widerspruchsfrei und plausibel. Der Idealismus Platons und Berkeleys sei eine absolut Ernst zu nehmende Theorie. Das bedeute auch keinen Skeptizismus hinsichtlich der Außenwelt und Lebenswelt, da die normale Wahrnehmung und Erfahrung und Naturwissenschaft dadurch nicht in Frage gestellt würden. Das gelte selbst für das skeptische Argument Descartes, wonach ein Arglistiger Dämon uns eine illusionäre Außenwelt vorspiegele, denn auch in diesem Fall ändert sich nichts an der gewohnten und geordneten Erfahrung. Dasselbe gilt, so Chalmers, für das skeptische Argument Putnams, wir könnten isolierte Gehirne in einem Nährstofftank sein, denen per Gehirn-Computer-Schnittstelle die Realität simuliert wird:

"The hypothesis that I am envatted, is not a skeptical hypothesis, but a metaphysical hypothesis. That is, it is a hypothesis about the underlying nature of reality. Where physics is concerned with the microscopic processes that underlie macroscopic reality, metaphysics is concerned with the fundamental nature of reality. A metaphysical hypothesis might make a claim about the reality that underlies physics itself. Alternatively, it might say something about the nature of our minds, or the creation of our world. I think the Matrix Hypothesis should be regarded as a metaphysical hypothesis with all three of these elements. It makes a claim about the reality underlying physics, about the nature of our minds, and about the creation of the world. In particular, I think the Matrix Hypothesis is equivalent to a version of the following three-part Metaphysical Hypothesis. First, physical processes are fundamentally computational. Second, our cognitive systems are separate from physical processes, but interact with these processes. Third, physical reality was created by beings outside physical space-time." (The Matrix as Metaphysics. In: Ch. Grau (ed.): Philosophers Explore the Matrix, Oxford: Oxford University Press 2005). 

Informatik-Hypothese

Chalmers Metaphysische Hypothese hat drei Teile. Deren erster ist die These, dass Logik und Informatik die fundamentale Tiefenstruktur der Elementarteilchenphysik, Chemie und Biologie sind bzw. sein können:

"The Computational Hypothesis says that physics as we know it is not the fundamental level of reality. Just as chemical processes underlie biological processes, and microphysical processes underlie chemical processes, something underlies microphysical processes. Underneath the level of quarks and electrons and photons is a further level: the level of bits. These bits are governed by a computational algorithm, which at a higher-level produces the processes that we think of as fundamental particles, forces, and so on [...] The hypothesis is coherent, if speculative, and I cannot conclusively rule it out." (ibid.)

Schöpfungs-Hypothese

Das zweite Element der Metaphysischen Hypothese ist die These, dass die logisch-mathematische Tiefenstruktur der Realität einschließlich unseres eigenen Organismus nicht von uns stammt, sondern von einer höheren Macht künstlich gestaltet und programmiert sein muss:

"The Creation Hypothesis [...] is believed by many people in our society, and perhaps by the majority of the people in the world. If one believes that God created the world, and if one believes that God is outside physical space-time, then one believes the Creation Hypothesis. One needn't believe in God to believe the Creation Hypothesis, though. Perhaps our world was created by a relatively ordinary being in the "next universe up", using the latest world-making technology in that universe. If so, the Creation Hypothesis is true. I don't know whether the Creation Hypothesis is true. But I don't know for certain that it is false. The hypothesis is clearly coherent, and I cannot conclusively rule it out." (ibid.)

Leib-Seele-Hypothese

Das dritte Element der Metaphysischen Hypothese ist, dass mein kognitives System oder mein Geist durch Prozesse konstituiert wird, die außerhalb der physikalischen Raum-Zeit liegen:

"The Mind-Body Hypothesis says: My mind is (and has always been) constituted by processes outside physical space-time, and receives its perceptual inputs from and sends its outputs to processes in physical space-time. The Mind-Body Hypothesis is also quite familiar, and quite widely believed. Descartes believed something like this: on his view, we have nonphysical minds that interact with our physical bodies. The hypothesis is less widely believed today than in Descartes' time, but there are still many people who accept the Mind-Body Hypothesis. Whether or not the Mind-Body Hypothesis is true, it is certainly coherent. Even if contemporary science tends to suggest that the hypothesis is false, we cannot rule it out conclusively.

The Mind-Body Hypothesis implies that I have (and have always had) an isolated cognitive system which receives its inputs from and sends its outputs to processes in physical space-time. In conjunction with the Computational Hypothesis, this implies that my cognitive system receives inputs from and sends outputs to the computational processes that constitute physical space-time. The Creation Hypothesis (along with the rest of the Metaphysical Hypothesis) implies that these processes were artificially designed to simulate a world. It follows that I have (and have always had) an isolated cognitive system that receives its inputs from and sends its outputs to an artificially-designed computer simulation of a world. This is just the Matrix Hypothesis. So the Metaphysical Hypothesis implies the Matrix Hypothesis." (ibid.) Vgl. Chalmers, D. J.: How Cartesian dualism might have been true (1990) [http://consc.net/notes/dualism.html].

Berkeley redivivus

Chalmers sieht in Berkeleys Philosophie einen geeigneten Bezugsrahmen für diese ultimative Forschungsebene. Natürlich hätte er für diesen Zweck genauso gut Platon, Leibniz, Kant und Husserl heranziehen können:

"A hypothesis like this was put forward by George Berkeley as a view about how our world might really be. Berkeley intended this as a sort of metaphysical hypothesis about the nature of reality. Most other philosophers have differed from Berkeley in regarding this as a sort of skeptical hypothesis. If I am right, Berkeley is closer to the truth. The God Hypothesis can be seen as a version of the Matrix Hypothesis, on which the simulation of the world is implemented in the mind of God. If this is right, we should say that physical processes really exist: it's just that at the most fundamental level, they are constituted by processes in the mind of God." (ibid.)

Metaphysik aus dem Schoß der Physik

In der Wissenschaftsgeschichte ist die vorsokratische Philosophie das klassische Paradigma für die sachlogisch sich ergebenden metaphysischen Verpflichtungen der Physik. Bekanntlich vertraten die ersten Generationen der Vorsokratiker (Jonische Naturphilosophen) eine physikalistische Weltanschauung, die das Universum mehr oder weniger materialistisch erklärte. Nach und nach, so bei Heraklit, wird klar, dass das alleine nicht weiterführt, sondern auch Vernunft (Logos) und intelligible Strukturen zur Erklärung der Phänomene angenommen werden müssen. Der erste Forscher und Theoretiker, der grundsätzlich und rundheraus sagte, der ganze physikalistische Ansatz ist eine Sackgasse, denn in Realität ist transzendenter absoluter Geist das schaffende, erhaltende und vitalisierende Prinzip von allem, war Anaxagoras (499—421 v. C.) aus Milet, dem Ursprungszentrum der Naturwissenschaft, wie wir sie kennen.

Anaxagoras war Schüler des Vorsokratikers Anaximenes und ist der Begründer der Philosophie, Wissenschaft und Aufklärung in Athen. Als Mentor und Freund entwickelte er das überdurchschnittliche charakterliche, intellektuelle und rhetorische Potential des leitenden Staatsmannes Perikles. Und als dessen Regierungsberater führte er die Athener Demokratie in den Zenit ihrer politischen Weltgeltung und und kulturellen Exzellenz, deren Strahlkraft bis heute andauert. Er war darüber hinaus einer der wichtigsten Impulsgeber für Platon und das entscheidende Bildungserlebnis des Dichters Euripides, des Vollenders und Höhepunktes der attischen Tragödie. Aristoteles sagt von Anaxagoras, dass er mit seiner deutlich und klar ausgesprochenen Einsicht (i) in die immaterielle Psyche als bewegendem Prinzip der Lebewesen und (ii) in den immateriellen, absoluten, unendlichen, transzendenten, allgegenwärtigen Geist als "Urheber des Kosmos und der gesamten Weltordnung wie ein Nüchterner erschien gegenüber den Früheren [Physikalisten], die ins Blaue hinein geredet hatten" (Metaphysik I 3, 984 b 15ff).

Dass der Primat des absoluten, zugleich transzendenten wie immanenten Geistes eo ipso die Natur entmythologisiert und empirische Naturwissenschaft ermöglicht und erzwingt, zeigt gleichfalls Anaxagoras. Der Begründer des philosophischen Theismus war nämlich auch der erste systematisch arbeitende Physiker bzw. Naturwissenschaftler. Er bestritt die Gottheit der Gestirne und erklärte Sonne und Sterne zu rotglühenden materiellen Körpern von riesigem Volumen. Er lehrte, der Mond habe dieselbe Materie und ein ähnliches Bodenrelief wie die Erde und erhalte sein Licht von der Sonne. Er erklärte astronomisch das Zustandekommen von Mond- und Sonnenfinsternissen. Er analysierte die Thermodynamik der Atmosphäre und ist der Vordenker der Atomtheorie. Die Athener Demokratie stellte ihn wegen der Bestreitung der Göttlichkeit der Sonne vor Gericht und verurteilte ihn zum Tode: Das Urteil wurde auf Perikles' Intervention zu hoher Geldstrafe abgemildert und Anaxagoras beschloss seine lebensweltliche und intellektuelle Biographie im Exil.

Weiterführende Literatur zu Quantenmechanik und Bewusstsein: Artikel: 'Quantum Approaches to Consciousness'. In: Stanford Encylopedia for Philosophy (http://plato.stanford.edu); Popper, K. R. / Eccles, J. C. (1991) Das Ich und sein Gehirn, 10. Aufl. München; Penrose, R. (1994) Shadows of the Mind, Oxford [dt.: Schatten des Geistes. Wege zu einer neuen Physik des Bewusstseins, Heidelberg/Berlin/Oxford 1995]; Pohlenz, G. (1994) Phänomenale Realität und Erkenntnis: Umrisse einer Theorie im Ausgang von der eigentümlichen Natur des Qualia-Begriffs, Freiburg; Atmanspacher, H. / Primas, et al. (Hrsg.) (1995) Der Pauli-Jung-Dialog, Berlin; Chalmers, D. J. (1996) The Conscious Mind. In Search of a Fundamental Theory, New York/Oxford; Bitbol, M. (2000) Physique et Philosophie de l'Esprit, Paris; Vitiello, G. (2001) My Double Unveiled, Amsterdam; Görnitz, Th. / Görnitz, B. (2002) Der kreative Kosmos — Materie und Bewusstsein aus Information, Heidelberg / Berlin / Oxford; Natterer, P. (2011) Philosophie des Geistes. Mit einem systematischen Abriss zur Biologischen Psychologie und zur Kognitionswissenschaft, Norderstedt, v.a. Kap. 14, 227—295: Jaegwon Kim: Physicalism or Something Near Enough.

Physik und Transzendenz

Hans-Peter Dürr (+ 18.05.2014; Foto unten), der engste Heisenbergschüler und dessen Nachfolger als Direktor des Max-Planck-Instituts für Physik und Astrophysik in München (bis 1997), ist der bekannteste Vordenker einer interdisziplinären, philosophischen und ethischen Einordnung der Physik, wofür ihm der Alternative Nobelpreis zuerkannt wurde. Seine Veröffentlichungen thematisieren erkenntnis- und wissenschaftstheoretische Fragen der Physik, welche nicht zuletzt die Analysen des obigen Abschnittes 'Kosmologie: Theorien für alles' ergänzen und bestätigen [vgl. Dürr, H.-P. (2000) Das Netz des Physikers, 3. Aufl. München; Dürr, H.-P. (2000) Für eine zivile Gesellschaft. Beiträge zu unserer Zukunftsfähigkeit, München]. Darüber hinaus hat Dürr einen Sammelband mit Aufsätzen 12 maßgeblicher Physiker veröffentlicht, der den Titel trägt: Physik und Transzendenz. Die großen Physiker unseres Jahrhunderts über ihre Begegnung mit dem Wunderbaren, München 1986. Dürrs Beschäftigung mit diesem Gegenstand knüpft an entsprechende Einsichten und Vorarbeiten Heisenbergs an und erneuert diese. Hier die wichtigsten Aussagen:

(1) "Richtig erscheint mir, daß viele Menschen erkennen, daß die durch naturwissenschaftliches Denken erfaßbare, oder allgemeiner: die durch wissenschaftliche Methoden beschreibbare Wirklichkeit nicht die eigentliche, die ganze Wirklichkeit darstellt und darstellen kann, ja daß durch Wissenschaft nicht einmal der für uns Menschen 'wesentliche Teil' dieser eigentlichen Wirklichkeit beleuchtet wird, und daß es deshalb in unserem Zeitalter der Wissenschafts- und Technikeuphorie dringend nötig ist, wieder auf die prinzipiellen Grenzen der Naturwissenschaft und der aus ihren Erkenntnissen entwickelten Technik, hinzuweisen." (Das Netz des Physikers, München 2000, 26)

(2) "Wirklichkeit und ihr naturwissenschaftliches Abbild stehen sich deshalb einander gegenüber wie ein Gegenstand zu seiner Zeichnung oder bestenfalls seiner Photographie [...] Die quantitative Beschreibung, d.h. die Möglichkeit, Aussagen in Zahlen zu fassen [...] und ganz allgemein die Möglichkeit, bei der Formulierung von Aussagen und Verknüpfungen die Mathematik zu verwenden, hängt genau mit der Möglichkeit zusammen, von den Inhalten der Dinge, also dem 'was', ganz abzusehen und sich allein auf ... das 'wie' zu konzentrieren [...] Insbesondere ist das durch dieses Denken erzeugte Abbild der Wirklichkeit wertfrei und nicht sinnbehaftet, da es bei seiner Konstruktion aus dem ganzheitlichen Sinnzusammenhang der eigentlichen Wirklichkeit herausgelöst wurde." (ebd., 32—35, 48)

(3) Neben und über dem analytischen rationalen Denken ist die vorrationale ganzheitliche (holistische) Intuition, die existentielle und wahrnehmungsmäßige Zugehörigkeit zur Gesamtrealität wichtig: „Wenn wir weiter feststellen, daß die Welt immer ein Ganzes ist, das gar keine Aufteilung erlaubt, dann fragen wir: Wo ist unser Zugang zu diesem Ganzen? Und dann entdecken wir, daß die Erfahrung des Geistigen uns diesen Zugang eröffnet [...] Das Geistige erleben wir nie als etwas Abgeschlossenes.“ — „Im Ganzen des Weltalls [gibt es] eine Intelligenz, von der wir keine Vorstellung haben.[...] Ich kann auch eine Gewißheit haben von etwas, was ich nicht begreifen kann. Unter Intelligenz verstehe ich etwas Offenes, wo die Naturgesetzlichkeit nicht greift.“ (Dürr, H. P.: Gespräch: Das Geistige hat keine Ränder. In: Spiegel Spezial 7 (1999), 32—36)

(4) Die klassische Physik hat zum Gegenstand Elementarteilchen und deterministische Gesetze. Die moderne Physik hat zum Gegenstand statt Elementarteilchen Relationen, Information, Geist, und statt deterministischen Gesetzen statistische Gesetze, Offenheit, Freiheit, Lebendigkeit: "Das zukünftige Geschehen ist also nicht mehr determiniert, nicht festgelegt, sondern bleibt in gewisser Weise offen. Das Naturgeschehen ist dadurch kein mechanistisches Uhrwerk mehr, sondern hat den Charakter einer fortwährenden Entfaltung" (Das Netz des Physikers, München 2000, 36).

(5) Die Zeit hat gegenüber dem Raum den Vorrang. Zeit ist das entscheidende Medium. Kausalität spielt sich im Medium der Zeit ab: Die sog. modale Theorie der Kausalität hat hohe Plausibilität, in der die Vergangenheit notwendig ist, und die Zukunft offen.

(6) "Die Welt entspricht in ihrer zeitlichen Entwicklung — entsprechend einem Bild von David Bohm — mehr einem Fluß, dem Strom des Bewußtseins vergleichbar, der nicht direkt faßbar ist; nur bestimmte Wellen, Wirbel, Strudel in ihm, die eine gewisse relative Unabhängigkeit und Stabilität erlangen, sind für unser fragmentierendes Denken begreiflich und werden für uns zur 'Realität'." (Das Netz des Physikers, München 2000, 112)

(7) Die Frage nach dem Absoluten, nach Gott stellt sich erstens angesichts des Geistes in der Natur und zweitens angesichts der Freiheit in der Zeit.

(8) "Hatte man ursprünglich vermutet, daß das 'Transzendente' im Laufe der Entwicklung der Naturwissenschaft immer weiter zurückgedrängt werden würde, ... so stellte sich nun im Gegenteil heraus, daß die uns so handgreiflich zugängliche materielle Welt sich immer mehr als Schein entpuppt und sich in einer Wirklichkeit verflüchtigt, in der nicht mehr Dinge und Materie, sondern Form und Gestalt dominieren. Das Höhlengleichnis Platons, in dem die von uns wahrnehmbare Welt nur als Schatten einer eigentlichen Wirklichkeit, der Welt der Ideen, aufgefaßt wird, kommt einem in diesem Zusammenhang unwillkürlich in den Sinn [...] Die physikalische Welt erscheint als eine Konkretisierung der Transzendenz." (Das Netz des Physikers, a.a.O. 108—109)

(9) "Unsere Vernunft gründet sich nicht nur auf unseren Verstand, unser Wissen über mögliche Wirkungszusammenhänge, sondern auch auf unsere Wertvorstellungen, die wir aus einer tieferen Schicht unseres Seins, aus den Traditionen der menschlichen Gesellschaft, aus den Religionen beziehen [...] Der Mensch bedarf, um handeln zu können, einer über seine wissenschaftlichen Erkenntnisse hinausgehende Einsicht — er bedarf der Führung durch das Transzendente." (Das Netz des Physikers, a.a.O. 103—104)

(10) "Dem Menschen als Akteur offenbart sich ... die göttliche Vernunft ganz unmittelbar und in einer keiner weiteren Erklärung bedürfenden Form. Gott steht hier am Anfang allen Denkens. Er ist der Kompaß, an dem sich unser Handeln ausrichten kann [...] Die Religionen sind Ausdruck dieses unmittelbaren Zugangs." (ebd. 107) Dürr spricht damit an, was Kant die Tatsache der sittlichen Welt nennt (= Kategorischer Imperativ als Faktum der Vernunft), dass  "Gott ... durchs moralische Gesetz in uns seinen Willen offenbart hat" (Religion in den Grenzen der bloßen Vernunft [RiGbV], 218). Oder diese Stelle: "Nun gibt es aber ein praktisches Erkenntnis, das  ... auf Vernunft beruht [und ...] jedem ... ins Herz geschrieben [ist] und ... in jedermanns Bewußtsein unbedingte Verbindlichkeit bei sich führt, nämlich das der Moralität; und was noch mehr ist, diese Erkenntnis führt, entweder für sich allein auf den Glauben an Gott, oder bestimmt wenigstens allein seinen Begriff als den eines moralischen Gesetzgebers" (RiGbV 280).

In dieselbe Richtung gehen die Überlegungen Herwig Schoppers, des "Herrn der Ringe" bei CERN (s.o.): "Aus dem neuen Verständnis vom Wesen der Materie [s.o. Abschnitte 'Kosmischer Teilchenzoo', 'Kosmisches Kräftequartett' und 'Symmetrien'] ergeben sich völlig neue Perspektiven [...] Denn die Konsequenz besteht darin, daß die Welt der Physik nicht mehr durch rein materielle Elemente bestimmt ist, sondern einen transzendenten Hintergrund besitzt. Als Friedrich Dürrenmatt vor einiger Zeit CERN besuchte und ich ihm den LEP-Beschleuniger zeigte und die erwarteten Ergebnisse erläuterte, sagte er: 'Jetzt verstehe ich, daß LEP eine philosophische Maschine ist'" (Was ist Materie?, a.a.O. 23).

"Die Wissenschaft mit ihrer auf Reproduzier- und Falsifizierbarkeit beruhenden Wahrheit [erfaßt] nicht die ganze Realität [...] Sie kann eine transzendente Realität des Glaubens nicht ausschließen. Sie kann dazu gar nichts sagen [...] Dafür, daß die Naturwissenschaft aufgrund ihrer Methode mit dem, was sie als wahr erkennt, keinen Sinngehalt und keine moralischen Normen liefern kann, sollte man sie nicht rügen." (ebd. 31—32)

Dieser letztere Zusammenhang wird wieder aufgegriffen und ausführlicher behandelt in den Menus Negative Theologie, Atheismusdebatte und Handlungstheorie.