ZusammenfassungDer geniale Forscher, Vater der Biologie, Aristoteles, bemerkte, daß das Vorgehen der Tiere die Erreichung eines bestimmten Zwecks zum Ziel hat. Die Schwalbe baut ihr Nest, um sich und ihre Jungen zu beschützen. Nach Aristoteles sind solche Zwecke die Ursachen gewisser Tätigkeiten, also gerade das Gegenteil unseres üblichen Begriffes von Ursache und Folge. Der griechische Philosoph sah eine Schwierigkeit in der Voraussetzung, daß das Nachher auf das Vorher wirkt, doch rettete er sich durch trübe Mutmaßungen über die Formen, die lebende Organismen in sich tragen. Die katholische Kirche hat jedoch die Aristotelische Teleologie oder die Lehre von der Zweckmäßigkeit übernommen. So lehrte auch der große Scholastiker Thomas von Aquin, daß das Schicksal des Menschen durch Gottes Willen im voraus bestimmt, prädestiniert ist, und demzufolge wird sich der Sterbliche derart verhalten, daß das vorbestimmte Ende erreicht wird. Diese Prädestination konnte natürlich auch auf strenge Bestimmtheit zurückgeführt werden. Denn wenn das Endziel bestimmt ist, ist auch jeder Schritt zwischen Entstehung und Tod bestimmt, und jeder nächste Schritt kann als Folge des vorangegangenen Schrittes, der vorangegangenen Ursache betrachtet werden. Bei Erklärung der Determiniertheit ist das Dilemma illusorisch, ob jenes früher oder jenes später als Ursache auftritt. Ebenso illusorisch ist es, sagt Heisenberg, den Determinismus auf die Weise zu definieren, daß das, was geschehen ist, auch geschehen muβte. Das, was einmal geschehen ist, ist für immer vergangen, und wie soll dann festgestellt werden, ob es geschehen mußte oder nicht? Die Scholastik stellte das Kriterium der Determiniertheit jedenfalls in Gottes Auge, das alles sieht, die Vergangenheit, die Gegenwart und die Zukunft. Jemanden muß es geben, der die Welt betrachtend künftige und vergangene Ereignisse aussagen kann. Indem man Gott absetzte, wurde dies der Genius von Newtons Mechanik. Nach den Gesetzen der klassischen Mechanik und aufgrund der Kenntnis der Kräfte konnten die Bewegungen der Planeten und Atome für alle Zeiten errechnet werden; sowohl Zukunft als Vergangenheit wären einem solchen mathematischen Genie offenbar. Nachdem Newtons Schüler auffällige astronomische Erscheinungen vorausgesagt hatten, wurde das Vorhersagen zum Wesen der Wissenschaft überhaupt.
ZusammenfassungDer geniale Forscher, Vater der Biologie, Aristoteles, bemerkte, daß das Vorgehen der Tiere die Erreichung eines bestimmten Zwecks zum Ziel hat. Die Schwalbe baut ihr Nest, um sich und ihre Jungen zu beschützen. Nach Aristoteles sind solche Zwecke die Ursachen gewisser Tätigkeiten, also gerade das Gegenteil unseres üblichen Begriffes von Ursache und Folge. Der griechische Philosoph sah eine Schwierigkeit in der Voraussetzung, daß das Nachher auf das Vorher wirkt, doch rettete er sich durch trübe Mutmaßungen über die Formen, die lebende Organismen in sich tragen. Die katholische Kirche hat jedoch die Aristotelische Teleologie oder die Lehre von der Zweckmäßigkeit übernommen. So lehrte auch der große Scholastiker Thomas von Aquin, daß das Schicksal des Menschen durch Gottes Willen im voraus bestimmt, prädestiniert ist, und demzufolge wird sich der Sterbliche derart verhalten, daß das vorbestimmte Ende erreicht wird. Diese Prädestination konnte natürlich auch auf strenge Bestimmtheit zurückgeführt werden. Denn wenn das Endziel bestimmt ist, ist auch jeder Schritt zwischen Entstehung und Tod bestimmt, und jeder nächste Schritt kann als Folge des vorangegangenen Schrittes, der vorangegangenen Ursache betrachtet werden. Bei Erklärung der Determiniertheit ist das Dilemma illusorisch, ob jenes früher oder jenes später als Ursache auftritt. Ebenso illusorisch ist es, sagt Heisenberg, den Determinismus auf die Weise zu definieren, daß das, was geschehen ist, auch geschehen muβte. Das, was einmal geschehen ist, ist für immer vergangen, und wie soll dann festgestellt werden, ob es geschehen mußte oder nicht? Die Scholastik stellte das Kriterium der Determiniertheit jedenfalls in Gottes Auge, das alles sieht, die Vergangenheit, die Gegenwart und die Zukunft. Jemanden muß es geben, der die Welt betrachtend künftige und vergangene Ereignisse aussagen kann. Indem man Gott absetzte, wurde dies der Genius von Newtons Mechanik. Nach den Gesetzen der klassischen Mechanik und aufgrund der Kenntnis der Kräfte konnten die Bewegungen der Planeten und Atome für alle Zeiten errechnet werden; sowohl Zukunft als Vergangenheit wären einem solchen mathematischen Genie offenbar. Nachdem Newtons Schüler auffällige astronomische Erscheinungen vorausgesagt hatten, wurde das Vorhersagen zum Wesen der Wissenschaft überhaupt.
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.
Gibt es das Leere oder gibt es das Leere nicht? Diese Frage hat Wissenschaftler und Philosophen seit der Antike umgetrieben. Während etwa Demokrit behauptete, dass es nur Atome und den leeren Raum gebe, haben einflussreiche Gelehrte, vor allem Aristoteles, das Dogma des horror vacui verkündet, die Scheu der Natur vor der Leere. Es ist nicht erstaunlich, dass diese Frage im 17. Jahrhundert an Dringlichkeit gewann, hat man damals doch damit begonnen, solche Fragen experimentell zu entscheiden. Wie Klaus Liebers in diesem Heft diskutiert, sind nach den ersten Experimenten von Evangelista Torricelli vor allem die Untersuchungen von Blaise Pascal von Bedeutung. Wir wissen natürlich, dass auch in den Experimenten Torricellis und Pascals der Raum nicht völlig leer ist, da noch immer einige Flüssigkeits- oder Gasmoleküle vorhanden sind. Die interessante Frage ist, ob sich der Raum zumindest im Prinzip leeren lässt. In der Technik spricht man von einem Hochvakuum, wenn der Druck der verbleibenden Moleküle unter etwa 10−7 Hektopascal fällt, was mit dem Atmosphärendruck unter Normalbedingungen von etwas über 1013 Hektopascal zu vergleichen ist. Im interplanetaren Raum hat man weniger als 10−18 Hektopascal. Hier kommt ganz entscheidend die Quantentheorie ins Spiel. Als Vakuum bezeichnet man dort üblicherweise den Grundzustand des Hamilton-Operators, also den Zustand niedrigster Energie. Bei der Berechnung dieser Energie hat man mit mathematischen Schwierigkeiten zu kämpfen, da sich für diese Energie zunächst der unsinnige Wert unendlich ergibt. Das hat mit den Nullpunktschwankungen zu tun, die wegen Heisenbergs Unbestimmtheitsrelationen unvermeidbar sind. Das Problem lässt sich (zunächst) lösen, indem man nur die endlichen Differenzen zur Grundzustandsenergie betrachtet und letztere willkürlich auf null setzt. Überraschungen lassen nicht lange auf sich warten. So erkannte der niederländische Physiker Hendrik Casimir schon 1948, dass das Einbringen zweier paralleler Platten im leeren Raum dazu führt, dass diese sich anziehen, was einer negativen Grundzustandsenergie entspricht. Experimentell ist dieser Casimir-Effekt wohletabliert. Er zeigt, dass das Vakuum recht ungewöhnliche Eigenschaften hat. Die Überraschungen verstärken sich noch, wenn man einen Beobachter betrachtet, der sich mit gleichförmiger Beschleunigung a durch das Vakuum bewegt. Wie der kanadische Physiker William Unruh 1976 feststellte, sieht dieser Beobachter keinen leeren Raum, sondern nimmt einen thermischen Zustand mit der Temperatur ħa/2πkBc wahr. Hierin bedeuten ħ das Wirkungsquantum, kB die Boltzmann-Konstante und c die Lichtgeschwindigkeit. Grund dafür ist die verschränkte Natur des Grundzustands, die sich bei gleichförmiger Beschleunigung thermisch äußert. Obwohl dieser Unruh-Effekt experimentell noch nicht etabliert ist, wird er allgemein akzeptiert. Wir verdanken unsere Existenz dem Vakuum Eng verwandt damit ist ein nach dem britischen Physiker Stephen Hawking bezeichneter Effekt. Wie Hawking 1974 theoretisch herausfand, strahlen Schwarze Löcher mit einer Temperatur ħκ/2πkBc, wobei κ die Oberflächenbeschleunigung des Schwarzen Loches ist. Auch nach diesem Effekt wird experimentell gefahndet. Während in der Quantenfeldtheorie nur die Differenzen zur Grundzustandsenergie messbar sind, ist für die Gravitation tatsächlich die absolute Energie von Bedeutung, da jeder Energie nach E = mc2 eine Masse zugeordnet ist, die ein Gravitationsfeld erzeugt. So sollte etwa der Grundzustand des mit dem Higgs-Teilchen verknüpften Feldes ein beträchtliches Gravitationsfeld erzeugen, von dem aber nichts zu spüren ist. Zu spüren ist aber eine im Vakuum vorhandene, viel kleinere Energie, die als Kosmologische Konstante oder Dunkle Energie zu einer beschleunigten Expansion des Universums führt. Der Ursprung dieser Vakuumenergie ist bisher nicht geklärt. Nach den gängigen Vorstellungen der Kosmologie lassen sich die Strukturen im Universum, Galaxien und Galaxienhaufen, auf die Nullpunktschwankungen von Feldern im frühen Universum zurückführen, die durch eine äußerst schnelle Expansion (inflationäre Phase) quasi zum Leben erweckt werden. So verdanken auch wir unsere Existenz dem Vakuum, vor dem die Natur keine Scheu hat. Claus Kiefer ist Professor für theoretische Physik an der Universität zu Köln, wo er sich vornehmlich der Quanten- und Gravitationsphysik widmet.
Kurzlich hat Louis de Broglie, ein Mitbegrunder der modernen Physik, die durch gewisse neuere Arbeiten von Bohr u. A. hervorgerufene Lage in der Beurteilung des Komplementaritatsbegriffes einer enneuten Priifung unterzogen und sieht sich dadurch auf Moglichkeiten gefuhrt, die im Gegensatz zur bisherigen Entwicklung, insbesondere auch zur Einstellung des Schopfers des Komplementaritatsbegriffes, Niels Bohr, stehen, den er gelegentlich den ,,Rembrandt der Physik" nennt, weil ihm das ,,clair-obscur" seiner Entwicklungen bedenklich erscheintalles selbstredend, ohne die grandiose Leistung des danischen Forschers zu verkennenl).Vielleicht sind zwei Grunde hieran beteiligt: Einmal ist der franzosische wisscnschaftliche Geist, zu dessen groBen Vertretern de Broglie zu rechnen ist, von jeher an begrifflich klarem Denken orientiert, wie schon die klassischen franzosischen Physiker: Lagrange, Laplace, Arago, Amp&e, Fresnel u.A,, beweisen; ferner ist aber die Problematik der Komplementaritat, wie die vieler anderer Begriffe von hochster Allgemeinheit, von der Art, daB auch die Philosophie daran ein berechtigtes Interesse nimmt.Die Einstellung Einsteins, auf den de Broglie Bezug nimmt, hat ja in der Tat gezeigt, daR die heutige Physik in zwei nach ihren Intentionen getrennte Lager zerfallt, deren eines sich an der allgemeinen Relativitatstheorie orientiert, wahrend das andere die quantenmechanische Einstellung bevorzugt.Das erste, dessen Fuhrer bis zu seinem Tode Einstein selbst gewesen ist, hat die strenge Logik der Grundeinstel- lung fur sich; es darf aber nicht verkannt werden, daR auch ihr ein grundsatzlich philosophischer Zug anhaftet.Bei Einsteins gegensatzlicher Einstellung zu Niels Bohrs Physik geht es geradezu um den Relativitatsbegriff der Physik, wie v .Weizsacker in seiner Arbeit ,,Einstein und Bohr" in klarster Formulierung herausgearbeitet hat2).Jenen philosophischen Grundzug der Relativitatstheorie hat Einstein selbst bekannt.An der Spitze der a11cenieinen Theorie steht ein Satz von philosophischer Allgeneinheit: In der Tat, wenn Bewegung etwas Reelles ist, wenn nur von Bewegung der Korper zueinander gesprochen werden kann, ist die Folgerung, daB Naturgesetze invariant gegenuber allen Koordinatentransformationen sein mussen, eine denknotwendige.Andererseits hat sich gezeigt, daR die philosophische Einstellung der fuhrenden Physiker im allgemeinen weitgehend ,,ihre eigene Erfindung" ist.Das muR zur Folge haben, daB sich der Philosophie gegenuber ein gewisses MiBtrauen einstellt.Die Komplementaritat in der von Bohr und Heisenberg vertretenen Form laBt eine Abhangigkeit vom beobachtenden Subjekt erkennen, insofern es vom Experiment abhangt, ob ein Elementarteilchen einen bestimmten Ort oder einen bestimmten Impuls hat.Dieses in den Unbestimmtheitsrelationen begrundete Verhaltnis ist die Grundlage der Quantenmechanik, wird aber von Einstein bekanntlich abgelehnt.Einstein erwartete eine kunftige Physik, die den Begriff einer an 1 ) 2)
Wenn heutzutage eine Gesellschaft von Physikern zusammenkommt, um Fragen der theoretischen Physik zu diskutieren, so wird das Gespräch früher oder später eine ganz bestimmte Wendung nehmen. Vielleicht haben Sie die Gesellschaft verlassen, als gerade die eigenen Spezialfragen oder die neuesten physikalischen Entdeckungen besprochen wurden; aber wenn Sie nach einer Stunde zurückkommen, können Sie jede Wette eingehen, daß man inzwischen bei einem alles überwuchernden Gesprächsthema angelangt sein wird: bei dem verzweifelten Stand der eigenen Unwissenheit. Und das ist keine Phrase. Es ist nicht einmal wissenschaftliche Bescheidenheit. Im Gegenteil, häufig ist die Einstellung eher ein naives Erstaunen darüber, daß die Natur ihr letztes Geheimnis so erfolgreich vor dem scharfsinnigen menschlichen Intellekt hat verbergen können. Die Sache liegt einfach so, daß wir auf dem Wege des Fortschritts urn eine Ecke gelangt sind, und nun steht plötzlich unsere Unwissenheit unverhüllt vor uns, erschreckend und unabweisbar.
Es ist eine schon fast zum Gemeinplatz gewordene Wahrheit, daß alle Naturerkenntnis nur auf dem Wege der sinnlichen Erfahrung gewonnen werden kann. Was man dann Erklärung der Erscheinungen zu nennen pflegt, ist im Grunde nichts anderes, als deren möglichst vollständige und einfache Beschreibung1). Um diese richtig liefern zu können, muß vorhergehen, was Mach so treffend Anpassung der Gedanken an die Tatsachen genannt hat2). Oder wie Hertz 3) es ausspricht: „Wir machen uns Scheinbilder oder Symbole (Vorstellungen) der äußeren Gegenstände, und zwar machen wir sie von solcher Art, daß die denknotwendigen Folgen der Bilder stets wieder Bilder seien von den naturnotwendigen Folgen der abgebildeten Gegenstände.“ Bis zu welchem Grade dies gelingt, hängt in erster Reihe davon ab, in welchem Maße die Tatsachen der Beobachtung durch die Sinne zugänglich sind. Selbst dort, wo dies in vollkommener Weise der Fall ist, wird das Bild den Stempel der Persönlichkeit desjenigen tragen, der es entworfen hat; um so mehr dann, wenn die Grenzen unserer Sinne dazu zwingen, unmittelbar nicht wahrnehmbare Züge der
Die Diskussionen zur Interpretation der Quantentheorie leiden gegenwärtig an (1) der zunehmenden Axiomanie in Physik und Philosophie, die Grundprobleme durch Formulierungsprobleme in einem vorgegebenen Kalkül ersetzt, und (2) am (seit 1927) abnehmenden philosophischen Interesse und Feingefühl bei Fachphysikern wie auch Fachphilosophen, das zur Ersetzung differenzierter durch grobe Positionen und dialektischer Argumente durch dogmatische geführt hat. Des näheren bestehen Hindernisse in der Ignoranz der Gegner sowie auch der Verteidiger der Kopenhagener Auffassung bezüglich älterer Argumente für diese. Das Erscheinen von Bunges Quantum Theory and Reality und insbesondere des Popperschen Beitrags dienen als Anlaß zu einer Neuformulierung der Bohrschen Position und der Widerlegung einiger recht beliebter, aber überraschend naiver und kenntnisloser Einwände gegen sie. Bohrs Position unterscheidet sich sowohl von der Heisenbergs als auch von den Vulgärformen, die in die sogenannte „Kopenhagener Deutung“ eingegangen sind, und deren Undifferenziertheit ein Segen für alle jene Kritiker war, die leichte Siege einer vernünftigen Diskussion vorziehen. Einsteins Haupteinwand wird erörtert, und seine Widerlegung von Bohr wird neu formuliert. Auch der philosophische Hintergrund sowie ältere Formen von Bohrs Auffassungen werden dargestellt. als jede vorhandene Alternative; daher muß die Grundlagendiskussion erst einmal auf sie zurückgehen. Es wird aber nicht behauptet, daß sie die einzigen sind. Hier ist der Verfasser immer noch der Ansicht, daß hundert bescheidene Blümchen besser sind als eine einzige noch so prächtige Blüte. Doch hundert bescheidene Blümchen plus eine prächtige Blüte sind noch besser. Diese Auffassungen sind detaillierter und den Tatsachen der Mikrophysik näher als jede vorhandene Alternative; daher muß die Grundlagendiskussion erst einmal auf sie zurückgehen. Es wird aber nicht behauptet, daß sie die einzigen sind. Hier ist der Verfasser immer noch der Ansicht, daß hundert bescheidene Blümchen besser sind als eine einzige noch so prächtige Blüte. Doch hundert bescheidene Blümchen plus eine prächtige Blüte sind noch besser.