Realität oder Empirie?

Physik/Philosophie Am Montag dem 7. Dezember 2015 beginnt eine längst überfällige Konferenz in München, die wissenschaftstheoretisch moderne Physik betrachtet.
Bei diesem Beitrag handelt es sich um ein Blog aus der Freitag-Community

Das Thema lautet provokant: „Warum einer Theorie vertrauen?“. Gemeint ist damit insbesondere die String Theorie. Ein internationales Publikum aus theoretischen Physikern und Wissenschaftstheoretikern wird erwartet mit einem Programm und hochkarätigen Rednern, was sich sehen lassen kann. Wir leben in einer Umbruchphase der Physik, wie man es vergleichen kann zu Zeiten nach den Pythagoräern durch Plato und Aristoteles oder auch in der Endphase des ptolomäischen Weltbildes. In neuerer Zeit würde man den Paradigmenwechsel beschreiben mit Einsteins neuem physikalischen Weltbild. Worum geht es also konkret?


Die empirische Methode


Wir haben heute eine moderne Physik, die sich nicht mehr im Popper'schen Sinne als ausschliesslich empirische Wissenschaft versteht, wie sie uns mittlerweile seit der Quantenmechanik geläufig war und einfordern aus einem Grund: Wir müssen Theorien überprüfen können durch Experimente. In den letzten 70 Jahren wurde dieses Prinzip zum ausschliesslichen Prinzip, was uns auch wunderbare Ergebnisse lieferte, die zu dem geführt haben, was wir heute das Standardmodel nennen. Doch es war schon lange absehbar, dass dieses Standardmodel nicht ausreicht und nur ein sehr unvollständiges Bild zeigt von der Realität. Wir haben seit den 1970er Jahren viele Experimente durchgeführt mit einem einfachen, zugleich aber auch sehr kostenintensiven experimentellen Verfahren: Wir lassen Teilchen mit annähernder Lichtgeschwindigkeit beschleunigen und aufeinander prallen. Wir schauen dann, was für neue Teilchen daraus entstehen und versuchten da heraus ein Prinzip zu finden, wie die subatomaren Bauteile zusammen gesetzt sind und welche Eigenschaften sie haben. Wir konnten aus den experimentellen Ergebnissen heraus ein Baukastenprinzip entwickeln, welches uns zeigt, wie Protonen oder Neutronen zusammen gesetzt sind und wie man sich die verschiedenen Kräfte vorstellen muss, die das Innere zusammenhalten. Gemeint sind hier 3 Kräfte. Die starke, die schwache und elektromagnetische Kraft. Wir haben dazu quantenmechanische Methoden mathematisch angewendet, die diese Experimente auswerten helfen und so ein Model entstehen lassen, welches uns hilft die Natur zu verstehen. Doch schon sehr früh hat sich gezeigt, dass es keine Möglichkeit gab auf diesem Wege eine 4. Kraft zu beschreiben und findet auch keinen Eingang in das Standardmodel der subatomaren Partikel: Die Gravitation. Ganz davon abgesehen, dass wir auch bis heute nicht in der Lage sind wirklich alles zuverlässig vorherzusagen, welche Eigenschaften manche Partikel haben wie z.B. den Neutrinos, die schon lange entdeckt wurden, aber in der Theorie bisher immer noch nach Standardmodel ohne Masse sind, doch wie wir heute wissen und dieses Jahr noch erst dafür der Nobelpreis verliehen wurde, Neutrinos durchaus eine Masse haben und es 3 Generationen von Neutrinos gibt mit unterschiedlichen Massen. Es fehlt uns also eine grundlegende Theorie, die all das beschreiben kann, jedenfalls, wenn man mit Methoden der empirischen Wissenschaften weiter arbeitet wie gehabt.
Gemeint ist damit: Wir lassen Protonen aufeinander knallen und schauen dann je nach Energieaufwendung, was wir neues entdecken und versuchen diese neuen Teilchen quantenmechanisch einzuordnen. Wir haben für subatomare Vorgänge leider auch keine andere Methode, diese zu verstehen. Es hört sich banal an, aber es gibt keine andere Möglichkeit als zu schauen, wenn zwei Autos einen Frontalunfall haben und zu schauen, wohin der Seitenspiegel abfällt oder wie die Motorhaube jeweils zusammengestaucht wurde und sich eventuell gelöst hat. So schliessen wir also banal ausgedrückt darauf, wie ein Auto zusammengesetzt ist und wie dieses Auto funktioniert. Wir können ja nicht direkt durch ein Mikroskop auf das Auto schauen, um zu sehen, wie es aussieht, wo die Motorhaube oder Seitenspiegel angebracht ist. Ganz zu schweigen würden wir auch nicht durch ein Mikroskop sehen können, wie die Funktion des Motors ist und das Auto fahren kann. Experimentelle Teilchenphysik und das was wir als empirische Wissenschaft verstehen ist also in der Physik nur ein einziges Experiment, was immer gleich ist: Autos zu betrachten bei einem Frontalunfall mit immer höherer Geschwindigkeit, um darauf zu schliessen, wie ein Auto aussieht und wieso es fährt. Doch das können wir nicht wirklich. Wir können sehen, dass bestimmte Teile wie der Seitenspiegel bei genügend kinetischer Energie in einem bestimmten Winkel wegfliegt und können dann aufgrund der Masse und des Winkels bestimmen, dass dieses wohl der Aussenspiegel sein muss, den wir schon in tausenden anderen Frontalunfällen beobachtet haben. Doch wissen wir nicht, was dieser Aussenspiegel für eine Rolle spielt im Gesamtgefüge des Autos. Auch können wir nicht bestimmen, wieso dieses Auto fährt. Der Motor ist uns immer noch verborgen geblieben. Wir sind schon in der Lage die Karosserie drum herum komplett abzubauen und nur noch das Grundgestänge mit Getriebe und Motor aufeinander prallen zu lassen. Wir sehen zwar mittlerweile Kühler, Lichtmaschine und Auspuff, aber wissen nicht, wie der Motor wirklich zusammengesetzt ist und wieso er überhaupt funktioniert. Das ist uns bisher immer noch durch Empirie verborgen geblieben. Wir haben uns jede Menge Gedanken darüber gemacht, dass eventuell der Kühler gebraucht wird um den Motor abzukühlen oder dass der Motor anscheinend eine Energieumwandlung vollzieht, aber dabei auch Abgase freisetzen muss, wofür der Auspuff zuständig sein muss, aber wir erkennen nicht das Prinzip des Motors. Ein anderes Problem offenbart sich grundsätzlicher Art: Wieso fliegt ein Auto nicht, sondern rollt auf der Strasse? Das ist bisher immer noch nicht gelöst und wir haben dafür überhaupt keine Beschreibungsmöglichkeit. Wir können nur die plane Strasse sehen auf denen das Auto rollt. Fliegende Autos haben wir noch nie gesehen, doch was hält die Autos auf der Strasse? Mit Flugzeugen könnten wir so einen Frontalcrash gar nicht beschreiben, ganz zu schweigen, dass wir Flugzeuge noch nie gesehen haben. Sie existieren nicht in unserer empirischen Realität.
Wir sind also an Grenzen gekommen mit empirischen Methoden die Realität zu beschreiben. Zu Kants Zeiten sicherlich noch nicht absehbar, aber Popper hätte es wissen und voraussehen können.


Von Einstein lernen


Was ist also die letzten 30 Jahre geschehen, wo für Physiker absehbar war, dass wir diese empiristische Grenze erreichen? Man untersuchte Zusammenhänge zu erkennen, die es einem ermöglicht mathematisch Prinzipien zu entwickeln. Einstein war dabei ein grosses Vorbild, denn er fing an Phänomene von zwei Seiten zu betrachten mit seiner Allgemeinen Relativitätstheorie. Es ist der Kern sozusagen dessen, was zwar auch schon Newton wusste, aber Einstein universell deutlich verfeinert hatte. Das Äquivalenzprinzip, welches Beschleunigung und Gravitation im Zusammenhang mit der Raumzeit als gleiches Phänomen betrachtet. Beschleunigung und Gravitation als Ausdruck von Raumzeit sind das Gleiche. Es gibt also mathematisch keinen Unterschied zwischen Beschleunigung und Gravitation und beide sind in gleicher Weise für die Raumzeit verantwortlich, welches dann Implikationen verursacht, die man nie geglaubt hätte. Licht z.B. wird dadurch verändert. Raumzeit wurde so zu einer Einheit und die Grundlage und Gerüst für das ganze wirken, was sich in dieser Raumzeit abspielt. Das nennt man Kovarianz in der Mathematik. Es kommt halt nur auf den Blick an, von wo man dieses Phänomen betrachtet. Je nachdem, wo man sich befindet ist für den einen Beschleunigung, was für den anderen Gravitation ist und zeigt dabei die gleichen Auswirkungen auf Raum und Zeit. Das ist Relativität und der Kern der allgemeinen Relativitätstheorie. Ein mathematisches Wunder, welches erst einmal aus der eigenen Erfahrungswelt nicht ersichtlich ist. Einstein hat dafür ein mathematisches Konstrukt benutzt, welches das ganze genau bestimmbar macht und für jeden einzelnen Punkt im Universum lokal zu bestimmen ist. Das nennt man Lokalität, was auch die allgemeine Relativitätstheorie zu einer klassischen Physik macht, die deterministisch arbeitet und ganz exakte vorhersagen machen kann. Da heraus konnte er feststellen, dass die Raumzeit eben nicht mehr euklidisch ist, sondern gekrümmt. Alte euklidische Dogmen galten auf einmal nicht mehr für die Natur, denn was Einstein mathematisch beschrieben hat aufgrund dieser Zusammenhänge, implizierte eine völlig neue Realität, wie Natur funktioniert. Jeder lernt in der Schule, dass Parallelen immer den gleichen Abstand haben und sich nie kreuzen werden, selbst wenn man eine Unendlichkeit annehmen würde. Das ist sozusagen die Definition von Parallelen. Aber mit der Allgemeinen Relativitätstheorie von Einstein wurde dieses alte Dogma über Bord geworfen für die Natur. Ein Paradigmenwechsel erfolgte aufgrund der Mathematik, die Einstein entworfen hat, um mit Hilfe eines Äquivalenzprinzips die Natur zu erklären.
Dieses Prinzip und Denken dahinter wurde nun erweitert und in gleicher Weise weiter gedacht mit der Stringtheorie.


Die Prinzipien und Methode in der Stringtheorie


String Theorie hat eine grosse Bürde, denn von ihr verspricht man sich heute die „Theorie für Alles“ zu bekommen. Das war aber nicht von Anfang an so. Es fing eigentlich eher zufällig an mit Zusammenhängen, die man beobachtete. Feynman hatte seine Diagramme zur Erklärung von Teilchenzusammenstössen und Wechselwirkungen entworfen, die einfach veranschaulichten, wie die dinge im Innern zusammen gehören und wie man betrachten muss. Mathematisch ein Fortschritt, der Generationen von Physiker beschäftigen wird um damit Masse, Spin, Energie errechnen zu können, die bei Kollisionen in Teilchenbeschleuniger entstehen und mit Wahrscheinlichkeiten vorhersagen machen zu können, was aus was entsteht, wenn man genug Energie hinzufügt um die Autos aufeinander prallen zu lassen. Wir haben mit den Feynman Diagrammen ein gutes Instrument erhalten um Voraussagen machen zu können - mit einer hohen Wahrscheinlichkeit – in welchem Winkel wie weit entfernt der Aussenspiegel vom Auto wegfliegen wird bei einem Aufprall. Dafür sind hunderte von Integralberechnungen notwendig und Teilchenphysiker schaffen das auch einigermassen in den meisten Fällen. Sie können dann ein Erfolgserlebnis verspüren, wenn ihre Berechnungen stimmen und der Aussenspiegel genau dort liegt, wo man ihn berechnet hat mit einer Abweichung, aber die kann man eingrenzen. Man weiss aus tausenden Frontalcrashs, in welchem Bereich sich der Aussenspiegel immer wieder eingrenzen lässt. Das hat man schon mittlerweile so perfektioniert, dass es Routine wurde. Das ist sozusagen die Arbeitsbeschreibung des experimentellen Teilchenphysikers Tag für Tag. Man wird immer wieder bestätigt, dass man Vorhersagen machen kann, die in den Experimenten bestätigt werden. Aber man ist dabei nur Spezialist, wie weit und wohin ein Aussenspiegel bei einem Frontalunfall zweier Autos fliegt, wenn wir jeweils die Geschwindigkeit erhöhen. Wir wissen aber nicht wofür der Aussenspiegel wirklich nützlich ist und welche Auswirkungen es auf die Fahreigenschaften des ganzen Autos hat. Die Frage nach dem „Fine-tuning“ sozusagen.
Physiker haben sich die Experimente angeschaut und verglichen mit den Feynman Diagrammen und dabei interessante Zusammenhänge festgestellt. Man konnte die Diagramme drehen und wenden wir man wollte. Man hat nur von verschiedenen Seiten aus ein und dasselbe betrachtet. Da heraus ist die Veneziano Amplitude entstanden, die sozusagen der Beginn der String Theorie war. Das war zu einer Zeit als man die Quarks gefunden hat und man glaubte „das Ding ansich“ gefunden zu haben. Man entwickelte daran weitere Vorstellungen, wie man sich anhand der Weiterentwicklung von Feynman Diagrammen das ganze im kleinsten vorzustellen hat und fing an nicht mehr in Punktteilchen zu denken sondern in Strings. Strings als 1 dimensionale kleinste Einheit, die jetzt die Vorstellung von Punktteilchen ersetzte. Das aber hatte in der Folge Konsequenzen, wenn man damit weiter rechnen wollte. 4 Dimensionen waren nicht mehr genug. Man entwickelte zu Anfang ein 26 Dimensionen Model aus den Strings, was aber alle ziemlich unglücklich machte und man konnte noch nicht Fermionen beschreiben, die Masse haben. Es war ursprünglich also eine rein bosonische ohne Masse Beschreibung. Dann kam aber der erste Pusch und war eine Revolution, was viele Physiker erstmals aufhorchen ließ. Man hat mit Hilfe eines neu gefundenen Äquivalenzprinzips Bosonen und Fermionen beschreiben können, was sich „T Duality“ nennt und sich von nun an Superstringtheorie nannte. Man hatte jetzt auf einmal auch gleichzeitig die Dimensionen reduzieren können auf 10 Dimensionen. Es wurden nur noch 9 Raumdimensionen benötigt und eine Zeitdimension. Man hat aus dem Model heraus auf einmal entdeckt, dass man Koppelungskonstanten nicht mehr als Konstanten betrachten muss, sondern sie wurden durch Feldgleichungen bestimmt. Man stelle sich vor, dass man Naturkonstanten, die einfach nur unerklärte Zahlen sind, die fest stehen auf einmal entwickelt werden können und berechnet werden mit Hilfe einer Feldtheorie. Das war unglaublich und der Traum eines jeden Physikers seit Einstein und Feynman selbst war dem angetan und war sein einziges Bestreben irgend wann einmal eine Physik entwickeln zu können, die eine Feinstrukturkonstante errechnet und nicht empirisch ermittelt werden muss. Denn Naturkonstanten gibt es in der Standardphysik noch zuhauf, die nicht erklärt und auch nicht errechnet werden können. Deshalb sind es auch Konstanten. Das wurde schon attraktiver für viele Physiker und versprach nun zum ersten mal alle 4 Kräfte vereinen zu können und alle Teilchen beschreiben zu können. Viele Physiker fingen nun an in dieser Mathematik zu rechnen, aber vor allem auch Mathematiker fingen an zu rechnen. Es wurden immer konsistentere Modelle entwickelt und gab vor allem auch der Mathematik einen Pusch, denn diese exotische Mathematik gab Herausforderungen vor allem für die Geometrie. Man fing an wieder alte vergessene Mathematiken heraus zu kramen, die man eigentlich schon im 19ten Jahrhundert entwickelt hatte aber nie eine Anwendung fand. Es war also ein Hype, der sich unter Physikern ausbreitete, aber vor allem Mathematiker beflügelte, denn es gab wieder richtige Grundlagenforschung für die Mathematik in Bereichen, die eigentlich im 20ten Jahrhundert schon vergessen waren. Viele mathematische Beweise folgten, die vorher nur Annahmen waren. Die Stringtheoriegemeinde wuchs und hat eine sehr offene Forschung begonnen, wo jede Idee durchdacht wurde egal wie abwegig sie klang. Dann kam der Durchbruch, den man als 2. Revolution beschreibt durch Edward Witten, der nun in der Lage war wieder alle verschiedenen Ideen zusammen zu fassen mit einem zweiten Äquivalenzprinzip der „S Duality“. Alle 5 verschiedenen Stringmodelle, die nun gewachsen sind und auch zum Teil Frust verursachten, waren aus seiner Erklärung letztlich nur ein Phänomen, was nur von verschiedensten Seiten betrachtet wurde. Er führte mit Branen (Membranen) ein Modell ein, was alle Stringmodelle vereint und zusätzlich dem ganzen eine Bezugsebene gab, die aber aus sich selbst heraus entstand. Der Vergleich mit Einsteins Äquivalenzprinzip von Beschleunigung und Gravitation die eine Raumzeit bilden ist hier sicherlich zutreffend. Man kann seit Ed Witten im Jahr 1995 nicht mehr unterscheiden zwischen einem fertigen Haus und den Ziegeln aus denen es gebaut wurde. Wir haben ein Äquivalenzprinzip gefunden, wie man vom Aussenspiegel auf das ganze Auto schliessen kann. Mathematisch einfach nur genial wie damals Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie. Allerdings brauchen wir dafür eine Dimension mehr. Wir beschreiben nun Wittens M Theorie, wie er sie nennt, mit 11 Dimensionen. Wir haben aber immer noch ein Problem. Wir wissen zwar was ein Auto ist und können es sogar bis ins kleinste beschreiben. Aber wir wissen nicht, ob das Auto was wir frontal crashen lassen ein Toyota, Mercedes, Audi, Opel, VW usw ist. Wir können für alle möglichen Autos mit allen Parametern nun berechnen, wie es funktioniert, wieso es fährt, welche Funktion der Aussenspiegel hat und wie es den Luftwiderstand erhöht bei der Fahrt. Wir wissen wie der Motor funktioniert, wir wissen sogar warum das Auto nicht fliegt und wir können nun auch Flugzeuge frontal crashen lassen und wir können alle vorhersagen machen, die uns dann sagen, ob es eine Boing, Airbus oder Eurofighter ist. Theoretisch!


Was ist also das Problem?


Wir haben ein so überuniverselles Model gebaut, was für alle Eventualitäten in allen möglichen Universen eine Beschreibung hat und können darin rechnen, aber wir wissen nicht in welchem Universum wir leben. Wir können also in unseren Experimenten immer nur mit einer Marke von Auto umgehen. Wir kennen jetzt das Prinzip Auto. Aber wir wissen nicht ob wir im Teilchenbeschleuniger Tin Lizzy fahren oder Ferrari. Wir brauchen Anhaltspunkte dafür. Finden wir einen Kühler, dann wird das Auto also nicht mehr Luftgekühlt sein. Das muss aber nicht sein. Haben wir eine 4 Fachauspuffanlage oder nur ein kleines Rohr, was aus dem Motor kommt? Ist der Aussenspiegel tatsächlich in seiner Funktion ein Spiegel, oder haben wir es mit einer digitalen Cam zu tun? Das Stringmodel hat alles parat. Es kann jedes erdenkliche Auto erklären. Egal ob es das erste Auto ist oder eins was wir erst in 100 Jahren entwickeln werden. Völlig egal. Nur wissen wir nicht welches Auto wir heute sehen.


Kompaktifizierung ist der Grund


Wir haben ein so überuniversales Model gebastelt, was uns jetzt vor die Frage stellt, in welchem der 10 hoch 500 Universen wir leben. Wir können für jedes mögliche Universum jede Naturkonstante berechnen und wissen ob es Chemie oder gar Biologie geben kann wie wir sie kennen oder nicht. Nur sind die Möglichkeiten bisher viel zu gross, um definitiv sagen zu können, dass genau diese Kompaktifizierung unserer 11 Dimensionalen Raumzeit auch unser Universum ist. Daher scheuen sich auch Stringtheoretiker exakte Vorhersagen zu machen, weil es nicht geht. Wir brauchen also nun einen Weg für eine 3. Revolution um zumindest eingrenzen zu können, welche Art von Kompaktifizierung unser Universum hat.
Wir müssen jetzt also bestimmen, ob unser Universum ein Mercedes oder VW ist. Zumindest soweit sollte es möglich werden. Dann wissen wir aber immer noch nicht, ob es ein Mercedes 500 SL oder ein VW Käfer 1302 ist. Es könnte also auch ein Mercedes 200 D der 124er Reihe sein oder ein VW Passat 1,6 tdi. Diese Vorhersage kann noch keiner machen.
Genau diese Fragen werden ab Montag in München behandelt und versucht verständlich zu machen. Leider wird der Weg schwierig werden eine genaue Vorhersage zu machen. Wir haben im LHC von CERN Hoffnung Licht ins Dunkel zu bringen durch verschiedenste Annahmen, welche Gruppentheorie zutrifft, die uns dann auch genauere Aussagen machen lässt. Die Suche nach SuperSymmetrie (SUSY) gäbe einen Hinweis darauf, welche der kompaktifizierten Universen eher wahrscheinlich sind. Aber ich denke das wird sich schwieriger erweisen als gedacht. Es gibt zur Zeit zwei Modelle, die das Rennen machen, wobei beide sehr nah an den Quantenmechanischen Vorstellungen liegen und E8 x E8 sowie SO 10 heissen. Das würde aber sicherlich nur reiner Zufall sein, wenn man dafür Ergebnisse erzielen würde. Es wäre auch nur eher ein Hinweis.
Das Dilemma ist, dass es keine andere alternative, ausgereifte Theorie gibt, die so umfassend universell ist wie die String Theorie. Man kann also auch keine Vergleiche anstellen. Was man allerdings kann, ist ein „downgrade“ machen und von einer Quantenfeldtheoretischen Untersuchung auf höherdimensionale stringtheoretische Bezüge zu schliessen. Eine Vergleichshypothese dieser Art wurde von Maldacena 1998 gefunden indem man festgestellt hat, dass es eine Korrelation zwischen einem 5 dimensionalen Anti de Sitter Raum gibt und einer 4 dimensionalen konformen Feld Theorie (AdS/CFT Korrespondenz). Doch wird darin noch nicht ersichtlich, ob es sich um einen Mercedes oder VW handelt. Die Entwicklung geht weiter und sie kann nur mathematisch deduktiv weiter gehen. Jede neue empirische Erkenntnis aus Experimenten wird helfen, aber wird jetzt nicht mehr ausschlaggebend sein.


Am Ende muss man zusammenfassend sagen: Wir haben deduktiv die Realität gefunden, nur wissen wir nicht welche. Empirie hat uns keine Realität gezeigt sondern nur Bruchstücke einer Sichtweise.
Ein Paradigmenwechsel in der Wissenschaftstheorie

Das Programm der wissenschaftstheoretischen Konferenz in München

http://www.whytrustatheory2015.philosophie.uni-muenchen.de/program/index.html

19:36 06.12.2015
Dieser Beitrag gibt die Meinung des Autors wieder, nicht notwendigerweise die der Redaktion des Freitag.
Geschrieben von

Rüdiger Heescher

Rüdiger Heescher ist Gründungsmitglied von attac und hat von 2006-2010 für die Bundestagsfraktion und Parteivorstand der Partei Die Linke gearbeitet.
Rüdiger Heescher

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