6 "Wir gehen so tief wie man nur gehen kann": Chiralität in Quantenchemie und Wissenschaftsphilosophie Der analytische Blick auf die Zugriffe auf chirale Phänomene in der Quantenchemie und deren Rezeption in der Wissenschaftsphilosophie offenbart einen blinden Fleck in der bestehenden Theorie wissenschaftlicher Grenzarbeit.In den laufend fortschreitenden Aushandlungsprozessen von Beziehungen und Grenzen zwischen wissenschaftlichen Disziplinen erweisen sich Narrative von Autonomie und Reduzierbarkeit als omnipräsent.Mit Autonomie ist dabei nicht die Verteidigung des Wissenschaftsbetriebes vor außerwissenschaftlicher Einflussnahme in der Demarkation von science und non-science gemeint (Gieryn, 1983, S. 789), sondern bezieht sich auf eine Konfliktlinie zwischen wissenschaftlichen (Sub-)Disziplinen selbst.Vielmehr steht die Aneignung, Sedimentierung und Verteidigung eigener, disziplinspezifischer Gegenstände, Theorien und Zugriffe auf die Welt, die unabhängig von fachfremden Ontologien, Methoden und Semantiken sind, im Mittelpunkt (Janich, 1998, S. 8).Das Gegenteil zu dieser Form der disziplinären Autonomie stellt in diesem Sinne die Reduzierbarkeit in der Beschreibung von interdisziplinären Verhältnissen dar.Diese zeigt sich etwa in der Annahme, dass die Quantenphysik die Grundlage der gesamten Chemie sei oder der Prämisse einer Arbeitsteilung und Abhängigkeit im Zugang zu disziplinspezifischem Wissen, wenn biologische Prozesse erst durch chemische Methoden zugänglich werden (ebd., S. 9).Dies ist unmittelbar mit den Präideen einer in Wirklichkeitsschichten klassifizierten Natur, einer Einheit sowie Hierarchie der Naturwissenschaften verknüpft.Auch wenn diese Konzepte in der gegenwärtigen Wissenschaftsforschung als Anachronismen gelten, leben sie in den fachspezifischen styles of reasoning als Präideen fort und sind mit Konflikten verbunden, die insbesondere im gegenwärtigen Zeitalter der Hybridisierung wissenschaftlicher Disziplinen zum Tragen kommen (Stengers, 2011b, S. 212).In den Feldern der Chemie zeigt sich ein ambivalenter und konfliktgeladener Umgang mit Fragen der Reduzierbarkeit molekularer Gegenstände auf quantenphysikalische Erste Prinzipien.Diese Aushandlungen
6 "Wir gehen so tief wie man nur gehen kann": Chiralität in Quantenchemie und Wissenschaftsphilosophie Der analytische Blick auf die Zugriffe auf chirale Phänomene in der Quantenchemie und deren Rezeption in der Wissenschaftsphilosophie offenbart einen blinden Fleck in der bestehenden Theorie wissenschaftlicher Grenzarbeit.In den laufend fortschreitenden Aushandlungsprozessen von Beziehungen und Grenzen zwischen wissenschaftlichen Disziplinen erweisen sich Narrative von Autonomie und Reduzierbarkeit als omnipräsent.Mit Autonomie ist dabei nicht die Verteidigung des Wissenschaftsbetriebes vor außerwissenschaftlicher Einflussnahme in der Demarkation von science und non-science gemeint (Gieryn, 1983, S. 789), sondern bezieht sich auf eine Konfliktlinie zwischen wissenschaftlichen (Sub-)Disziplinen selbst.Vielmehr steht die Aneignung, Sedimentierung und Verteidigung eigener, disziplinspezifischer Gegenstände, Theorien und Zugriffe auf die Welt, die unabhängig von fachfremden Ontologien, Methoden und Semantiken sind, im Mittelpunkt (Janich, 1998, S. 8).Das Gegenteil zu dieser Form der disziplinären Autonomie stellt in diesem Sinne die Reduzierbarkeit in der Beschreibung von interdisziplinären Verhältnissen dar.Diese zeigt sich etwa in der Annahme, dass die Quantenphysik die Grundlage der gesamten Chemie sei oder der Prämisse einer Arbeitsteilung und Abhängigkeit im Zugang zu disziplinspezifischem Wissen, wenn biologische Prozesse erst durch chemische Methoden zugänglich werden (ebd., S. 9).Dies ist unmittelbar mit den Präideen einer in Wirklichkeitsschichten klassifizierten Natur, einer Einheit sowie Hierarchie der Naturwissenschaften verknüpft.Auch wenn diese Konzepte in der gegenwärtigen Wissenschaftsforschung als Anachronismen gelten, leben sie in den fachspezifischen styles of reasoning als Präideen fort und sind mit Konflikten verbunden, die insbesondere im gegenwärtigen Zeitalter der Hybridisierung wissenschaftlicher Disziplinen zum Tragen kommen (Stengers, 2011b, S. 212).In den Feldern der Chemie zeigt sich ein ambivalenter und konfliktgeladener Umgang mit Fragen der Reduzierbarkeit molekularer Gegenstände auf quantenphysikalische Erste Prinzipien.Diese Aushandlungen
Die Quantentheorie stellt eines der anspruchsvollsten und erfolgreichsten Theorieprojekte der Menschheitsgeschichte dar. Sie ist eine, wenn nicht die Universaltheorie der Physik. Die Geschichte ihrer Deutung und die Auseinandersetzung um ihre Interpretation berühren jedoch weitaus mehr als nur das Feld der theoretischen Physik. Eine solche Theorieanlage zerstört ontologische Gewissheiten. Sie stellt den Beobachter in Frage und sie lässt uns ahnen, was zu erwarten ist, wenn wir uns in anderen Feldern mit komplexen Phänomenen beschäftigen, die mit der Beobachterproblematik infiziert sind. Als transklassische Physik ist die Quantentheorie gleichsam auf »Welten ohne Grund« gebaut und enttäuscht damit die Hoffnung, sich Sinnfragen durch die Physik oder Mathematik entledigen zu können. Homolog zu den Hochformen mystischer Reflexion kann uns die Auseinandersetzung um die Deutung der Quantenphysik allerdings eine Ahnung vermitteln, was das Geheimnis der konditionierten Koproduktion von System und Umwelt – Reflexion und Welt – für uns bedeuten kann, und uns möglicherweise dabei helfen, in Welten ohne Grund heimisch zu werden. Hierbei wird deutlich, dass hochgetriebene Theorie, die sich in ihren Abstraktionen in hohem Maße von der lebensweltlichen Wirklichkeit löst, nicht im Widerspruch zur Möglichkeit von Welterkenntnis steht. Im Gegenteil, erst ein hinreichend elaboriertes und mit eigenen, intern konditionierten Konsistenzzwängen ausgestattetes Theoriegebilde stellt die Bedingung zur Möglichkeit von Reflexion und Erkenntnisgewinnung dar.
Dies ist eine verspätete Besprechung eines hochinteressanten und anregenden Buches1. Obwohl es sich mit gewissen Schwierigkeiten einer sehr speziellen Theorie der Gegenwart beschäftigt , nämlich der Quantentheorie, dürfte es auch für die vielen Nichtphysiker von Interesse sein, die etwas über die Welt erfahren möchten, in der wir leben , wie auch über die Ideen, die heute zum Verständnis dieser Welt entwickelt werden. Man meint oft — und die Grundeinstellung vieler heutiger Physiker spricht dafür — , daß Spekulation und Erfindungsgabe in den Naturwissenschaften keine sehr große Rolle spielen, denn physikalische Theorien sind ja durch die Tatsachen mehr oder weniger eindeutig bestimmt . Natürlich meint man auch, daß unsere heutigen Kenntnisse des Mikrokosmos auf eben dieser Art bestimmt und daher zumindest in ihren Hauptzügen unwiderruflich sind . Das Buch zeigt die Unrichtigkeit dieser Vorstellungen ; es zeigt, daß es Meinungsverschiedenheiten in einigen ganz grundlegenden Fragen gibt , daß das imposante und vielleicht ein wenig fürchteinflößende Bild der Wissenschaft als einer unveränderlichen und nur ständig wachsenden Sammlung von Tatsachen nichts als ein Märchen ist und daß Erfindungsgabe und Spekulation in der Physik keine geringere Rolle spielen als sonstwo . Es zeigt weiterhin, daß man auch heute noch schwierige Fragen interessant und verständlich behandeln kann. Und damit zeigt es schließlich, daß die oft beklagte Kluft zwischen den Natur- und den Geisteswissenschaften auf einem falschen Bild , ja einer Karikatur der Naturwissenschaften beruht . Das Buch kritisiert dieses falsche Bild. Es widerlegt auch die Idee, daß die Komplernentarität und sie allein alle ontologischen und theoretischen Probleme der Mikrophysik löst ; daß diese Lösung absolut gültig ist , und daß der Physiker der Zukunft nur noch Gleichungen zur Voraussage ansonsten unproblematischer Ereignisse aufzustellen und zu lösen braucht. Kurz , es widerlegt die Idee, daß der Physiker der Zukunft wie ein mittelalterlicher Gelehrter vorgehen wird, nur eben mit Bohr stat Aristoteles als seiner Autorität in metaphysischen Fragen.
Die Quantenmechanik ist eine der wichtigsten Theorien der modernen Physik.Mit ihr lassen sich nicht nur grundlegende Phänomene wie z.B. das Emissionsspektrum von Atomen oder die Stabilität von Materie erklären, sondern sie steckt auch in vielen technischen Anwendungen vom MP3-Player bis zum Tunnelmikroskop, und in Zukunft werden wir vermutlich Technologien wie Quantenkryptographie oder Quantencomputer mit großer Selbstverständlichkeit einsetzen.Die Kenntnis der Quantenmechanik ist daher nicht nur ein Schlüssel für das Verständnis unserer Welt, sondern unabdingbar für die Entwicklung moderner Technologien.Folgerichtig wird die Quantenmechanik heute oft schon in der Schule gelehrt; in jedem Fall jedoch an Universitäten, wo sie in den meisten Naturwissenschaften und auch in vielen Ingenieurwissenschaften zum Curriculum gehört.Eine große Hürde bei der Vermittlung und damit auch auf dem Weg zum Verständnis der Quantenmechanik ist nun nicht, wie man etwa vermuten könnte, die Mathematik, auch wenn diese an der einen oder anderen Stelle sicherlich einige Herausforderungen beinhaltet, sondern die Sprache.Der Grund dafür liegt darin, dass Sprache kein gegebenes Konstrukt ist, welches unabhängig vom Menschen und dessen Wissen über die Welt existiert, sondern sich vielmehr im Laufe der Menschheitsgeschichte durch die Auseinandersetzung des Menschen mit seiner Umwelt entwickelt hat.Sprache ist damit auch immer ein Abbild der Welt, so wie sie der Mensch wahrnimmt.Und dass diese Wahrnehmung gelegentlich trügt, wissen wir spätestens seit Einstein, der uns gezeigt hat, dass unsere Vorstellung von Raum und Zeit nicht der physikalischen Wirklichkeit entspricht.Die Quantenmechanik führt uns nun, mehr noch als die Relativitätstheorie, weg von den uns vertrauten Vorstellungen von der physikalischen Wirklichkeit.Damit verliert aber auch die Sprache ihre Legitimation als ein Werkzeug zur Beschreibung der Quantenmechanik.Streng genommen verbleibt als einzig legitimer Zugang zur Quantenmechanik daher die Mathematik.Mit ihr lassen sich, aufbauend auf einer Handvoll Axiome, alle Gesetze der Quantenmechanik ableiten und damit alle physikalischen Beobachtungen korrekt und widerspruchsfrei beschreiben.Allerdings sind diese Axiome, im Gegensatz zu z.B. denen der Newton'schen Mechanik, alles andere als unmittelbar einsichtig.Um daher auch solchen Leserinnen und Lesern den Zugang zur Quantenmechanik zu ermöglichen, welche die Quantenmechanik nicht als Teildisziplin der Mathematik oder der theoretischen Physik betreiben wollen, werden wir in diesem Buch trotz aller Gefahren den Weg der Sprache und der Bilder beschreiten.Dabei gehen wir von wenigen einfachen Schlüsselexperimenten aus, mit denen sich die Grundgleichungen der Quantenmechanik anschaulich begründen lassen.Im Gegensatz zu vielen anderen Lehrbüchern greifen wir jedoch nicht auf das berühmte Doppelspaltexperiment mit Elektronen oder das Experiment von Stern-Gerlach zurück, sondern wir arbeiten in den ersten Kapiteln ausschließlich mit einem Interferometer und Polarisationsfiltern
Die einzigartige Rolle der Quantenmechanik in den modernen Naturwissenschaften macht es auch für den Chemiker wichtig, mit den Grundgedanken der Quantenmechanik und der Quantenchemie vertraut zu werden. Diese Vertrautheit ist nicht leicht zu erwerben, denn die Quantenmechanik ist eine schwierige, reichlich abstrakte Theorie, mit der nicht nur Anfänger, sondern auch etablierte Fachleute ihre Schwierigkeiten haben. Glücklicherweise ist die Quantenmechanik viel leichter anzuwenden als zu verstehen. Zum Eingewöhnen scheint es deshalb ratsam, erst einmal zu sehen, wie man etwas macht. Beim Kuchenbacken geht man ja auch so vor. Im Gegensatz zur Kochkunst muss man sich in den Naturwissenschaften später irgendwann einmal bemühen, die abgeschauten Rezepte tiefer zu verstehen. Wichtig ist dabei vor allem, die Geduld nicht zu verlieren. Die Quantenmechanik ist schwierig und nur in wiederholtem Anlauf zu erobern.
Das "Messproblem" oder allgemeiner, das "Interpretationsproblem" der Quantenphysik ist aktuell.Dies ist erstaunlich, liegt die Theorie doch seit nunmehr gut 100 Jahren vor, und kann sie mit Recht als die erfolgreichste, präziseste und umfassendste wissenschaftliche Konzeption bezeichnet werden, über die wir verfügen.Nach vielen der von den meisten Wissenschaftsphilosophen als zentral angesehenen Kriterien guter Theorien, ist die Quantenphysik unübertroffen.Die Zahl ihrer Anwendungen ist enorm, sie erreicht eine Genauigkeit, die weit über allen vorangegangenen Theorien liegt und ihr auch bei überraschenden und ungewohnten Prognosen erreichter Bestätigungserfolg muss beeindrucken.Kurz, sie gilt als ein ausgezeichneter Kandidat für das, was oft als ‚die aktuell beste Theorie' bezeichnet wird.Nur leider, sie beschreibt eine ‚seltsame' Quantenwelt.Formal gesehen betrifft das Interpretationsproblem die Differenz zwischen der Kontinuität der zu Grunde liegenden Gleichung und der Diskontinuität von Messergebnissen.Diese Diskontinuität verdankt sich formal der nicht-kommutativen Algebra für Operatoren.Bei allen Quantisierungsverfahren -auch wenn sie den Korrespondenz-und Analogievorschriften (zum ‚klassischen' Formalismus) genügen -müssen die Vertauschungsregeln zusätzlich angegeben werden.Der Inhalt dieser Vertauschungsregeln ist als solcher also nicht Inhalt des formalen Apparates; er ergibt sich nicht aus diesem.Diese Eigenständigkeit der Vertauschungsregeln ist notwendig, um die Lücke zwischen Formalismus und Messergebnis zu füllen; auf welche Eigenschaften der Quantenwelt sie sich dabei beziehen, eröffnet den Interpretationsspielraum.Viele der sich in diesem Verfahren ergebenden Eigenschaften muten nun seltsam und ungewohnt im Vergleich zur ‚bekannten' makroskopischen (klassischen) Welt an."Seltsam" ist nun natürlich ein Ausdruck, der weder in der Formulierung der Theorie, noch auch in einer wissenschaftsphilosophischen Auseinandersetzung mit ihr, einen rechten Platz hat.Er umschreibt aber die Tatsache, dass einige
Die Bohrs che Theorie, die uns eine Vorstellung vom Bau des Atoms gegeben hat, und die mit ihr aufs engste verknüpfte Quantenlehre, die dieser Theorie zugrunde liegt, sind nicht nur in fast alle Gebiete der Physik eingedrungen, sondern haben auch in der Chemie eine gewaltige, beständig wachsende Bedeutung erlangt. Diese Wissenschaft befaßt sich vor allem mit Atomen und Molekülen, und daher ist es von vornherein klar, daß eine Lehre, die so viel Neues über diese Atome gebracht hat, auch für die Chemie als eine Art Offenbarung erscheinen, ihr einen Zufluß von neuen Ideen geben, neue weite Horizonte eröffnen und zur Entwicklung sowie Vertiefung der theoretischen Grundlagen beitragen mußte, mit denen diese Wissenschaft das von ihr erlangte, fast unübersehbare Versuchsmaterial zusammengefaßt und synthesiert. Es ist ohne weiteres klar, daß wir der Anwendung der neuen Lehre auf die Chemie nur wenig Platz einräumen können und nur bei den Fragen verweilen werden, die für die Physik von Interesse sind. Ohne auf Einzelheiten einzugehen, und sich in jedem speziellen Falle auf ein oder zwei Beispiele beschränkend, werden wir unser Hauptaugenmerk auf die leitenden Grundgedanken und Tatsachen richten, durch die die Anwendungen der neuen, auf dem Boden der Physik entstandenen und zur Blüte gelangten Ideen auf die Chemie charakterisiert werden.