Geist über Materie

Experimente I Lassen sich mit Phantasie und Intuition physikalische Experimente ­kostengünstig ersetzen? Über die Renaissance einer vielversprechenden Wissenschaftsmethode

Schon nach wenigen Wochen Probebetrieb schmorte das teuerste Experiment der Welt vergangen-es Jahr durch. Seither wird der 27 Kilometer lange Teilchenbeschleuniger von Genf repariert. Aber vielleicht sind es gar nicht in erster Linie die gigantischen Kosten, die einen am Sinn des Unternehmens zweifeln lassen: Hier sollen der Natur ihre letzten Geheimnisse entrissen werden, und das einzige, was den Forschern dazu einzufallen schien, war, mit brutaler Gewalt Elementarteilchen zu zertrümmern, um anschließend mit stupider Geduld nachzuschauen, ob sich aus den Datenmengen der Detektoren mit aufwändigen mathematischen Methoden eine Antwort heraussieben lässt.

Was die Welt im Innersten zusammenhält, die Entstehung von Masse und Materie – eigentlich würde man sich eine philosophische Antwort darauf wünschen: eine genial-einfache, einfach geniale Idee, die zu einem Heureka!-Erlebnis führt. Und plötzlich wird alles klar.

Seit einigen Jahren sind Gedankenexperimente ein Lieblingsthema der Wissenschaftsphilosophen, vermutlich gerade wegen dieser Sinnkrise, ausgelöst durch die Entfremdung einer kleinteiligen und überkomplexen Wissenschaft von der Utopie einer schönen und verständlichen Wahrheit. Gedankenexperimente versprechen diesen ästhetischen Erkenntnisgewinn – und das auch noch ohne dafür den bequemen Lehnstuhl verlassen zu müssen, bloß einfach durch Nachdenken über einfache experimentelle Szenarien – in der Hoffnung, dass sich so eine intuitive Einsicht in die Naturzusammenhänge einstellt.

Einstein war der größte Meister des Gedankenexperiments, wie man in unzähligen populärwissenschaftlichen Büchern nachlesen kann. Seine Relativitätstheorien kann dort jeder verstehen: Stellen wir uns einfach vor, wir sitzen in der Mitte eines schnellfahrenden Eisenbahnwagens, an dessen beiden Enden gleichzeitig Blitze einschlagen. Wird ein Beobachter, der auf dem Bahndamm direkt neben uns steht, die Blitze auch gleichzeitig wahrnehmen? So beginnt die Herleitung der speziellen Relativitätstheorie. Noch ein paar weitere Gedankenskizzen und wir haben Einsteins mathematische Formeln abgeleitet.

Vor Verführern wird gewarnt

Es gibt so viele wunderschöne Beispiele von Gedankenexperimenten, die trockene Physik in einen unterhaltsamen Rätselspaß verwandeln. Das berühmteste geht auf Galilei (1564-1642) zurück: Wenn wir gleichzeitig einen schweren und einen leichten Stein fallen lassen, welcher kommt früher am Boden an? Der schwere natürlich? Genau das dachte Aristoteles. Aber durch bloßes Nachdenken, meinte Galilei, können wir, ohne wirklich einen Stein von der Tischkante zu schubsen, feststellen, dass das nicht stimmen kann. Wenn nämlich ein schwererer Stein immer schneller fällt, dann müssten die beiden Steine zusammengebunden ja schneller fallen, als der schwere Stein allein, denn zusammengebunden bilden sie einen Stein, der schwerer ist als beide einzelnen Steine. Andererseits müsste der leichte Stein eigentlich den schweren Stein bremsen, wenn er langsamer fällt und mit dem schweren Stein zusammengebunden wird. Und beides gleichzeitig geht nicht: zusammengebunden sowohl schneller als auch langsamer zu fallen.

Das klingt höchst suggestiv. Aber Vorsicht ist geboten. Wie leicht wird man durch logische Taschenspielertricks eingelullt! Oft hilft schon ein Blick in die Ideengeschichte, um einen klaren Kopf zu behalten.

Eigentlich sollte es schon skeptisch machen, dass gerade Galilei und Einstein als prominenteste Gedankenexperimentatoren überliefert sind. Sonst gilt Galilei gemeinhin als Erfinder der Experimentalmethode, die gerade mit dem mittelalterlichen Hokuspokus Schluss gemacht hat, die Geheimnisse der Natur nach Art von scholastischen Metaphysikern durch bloßes Räsonieren über alten Schriften entreißen zu wollen.

So schrieb Einstein in seinem populären Buch Die Evolution der Physik: „In einem guten Kriminalroman führen die augenfälligsten Spuren oft zu falschen Verdachtsmomenten. So müssen wir auch bei unseren Bemühungen, die Naturgesetze zu verstehen, immer wieder feststellen, dass die am meisten in die Augen springende intuitive Erklärung oft gerade die falsche ist. Das Weltbild des Menschen unterliegt einem unablässigen Wandel. Galileis Beitrag dazu bestand darin, dass er das intuitive Denken entthronte und an seine Stelle ein anderes setzte. Darin liegt die Bedeutung seiner Entdeckung.“

Einstein hatte, was heute nicht mehr so bekannt ist, tatsächlich schwerste Einwände gegen den Gebrauch von intuitiven Gedankenexperimenten in den empirischen Wissenschaften. Denn es waren seine Gegner, die meinten, mit Gedankenexperimenten seine Relativitätstheorien widerlegen zu können – allen voran der nationalsozialistische Physiker Philipp Lenard. Er dachte sich immer neue Szenarien aus, die beweisen sollten, dass Einsteins Theorien dem „gesunden, einfachen Verstand“ widersprechen. Ohne Erfolg, denn die Natur kümmert sich kein bisschen darum, dem einfachen Verstand eines Philipp Lenard zu gefallen.

Böse Scherze der Natur

Dieser Konflikt zwischen den Gesetzen der Natur und den menschlichen Vorstellungen von vernünftiger Ordnung durchzieht die gesamte Ideengeschichte des Gedankenexperiments wie ein roter Faden. Am Anfang stand Immanuel Kant, dem es in seinem Büchlein Metaphysische Anfangsgründe der Naturwissenschaft (1786) scheinbar gelungen war, die Physik von Isaac Newton mit reinen Vernunftmitteln zu rekonstruieren. Der Jubel einer ganzen Philosophengeneration war gewaltig: Seine Schüler nannten sich fortan „Deutsche Idealisten“ und waren überzeugt, bald durch reine Vernunft auch alle anderen Naturgesetze zu entschlüsseln, die stumpfsinnige Engländer nur durch langwierige Beobachtungen und Experimente entdecken konnten.

Tragisch nur, dass es gerade ein Kantianer war, der dieser Hoffnung ungewollt ein Ende setzte. 1820 entdeckte der Dänische Philosoph Hans Christian Ørsted bei einem realen Experiment den Elektromagnetismus: Neben einem stromführenden Draht richtet sich eine Magnetnadel mit einer Drehbewegung senkrecht zum Draht aus. Das klingt harmlos, widerspricht aber der zentralen Vernunfterkenntnis von Immanuel Kant, dass sich Kräfte nur entlang gerader Linien durch Abstoßung oder Anziehung äußern können. Die krumm-verschwurbelte Magnetkraft des elektrischen Stroms konnte ein ordentlich-vernünftiger Denker wie Kant natürlich nicht erahnen.

Noch dramatischer wurde die Sache mit der Entdeckung der Quantenmechanik in den 1920er Jahren. In seinem ersten Aufsatz über die Unbestimmtheitsrelation hatte Werner Heisenberg noch gehofft, die Quantenmechanik aus einem klassischen Verständnis des physikalischen Messvorgangs ableiten zu können. Zu diesem Zweck ersann er das berühmte Gedankenexperiment von einem „Gammastrahl-Mikroskop“, das bei jedem Beobachtungsvorgang das Beobachtungsobjekt genau so stark verwischt, wie es seine Unbestimmtheitsrelation behauptet. Leider hat gleich danach sein Lehrer Niels Bohr einen Fehler in seinem Argument gefunden.

Bis heute ist das noch öfters passiert: Ein kluger Forscher wie Schrödinger, Bell, Kochen oder Specker ersinnt ein Gedankenexperiment, das klar beweist, wie die Natur vernünftigerweise sein sollte. Und anschließend stellt sich heraus, dass sie doch lieber einer absurden Quantenmechanik folgt, die niemand verstehen kann.

Die Natur ist viel zu phantasievoll, um sie mit gesunden Intuitionen begreifen zu können. Nur wenn wir bereit sind, wirklich wild und verrückt zu denken, und uns von allen konventionellen Vorurteilen und naheliegenden Intuitionen frei machen, dann könnte es vielleicht klappen, mit Gedankenexperimenten doch nicht bl0ß unterhaltsame, sondern auch empirisch wahre Einsicht in die Natur zu gewinnen.



Über Gedankenexperimente findet an der Universität Oldenburg noch bis Donnerstag, 2. Juli, eine wöchentliche Ringvorlesung statt.

Die Universität von Toronto/Kanada organisierte im Mai eine wissenschaftliche Tagung über Gedankenexperimente. Die dort gehaltenen Vorträge kann man hier herunter laden.

Am Donnerstag, 25. Juni, wird Ulrich Kühne im physikalischen Kolloquium der Universität Bremen einen Vortrag über naturwissenschaftliche Gedankenexperimente halten.


Ulrich Kühne hat mit dem Buch Die Methode des Gedankenexperiments (Suhrkamp Verlag 2005) in Wissenschaftsphilosophie promoviert

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13:05 18.06.2009
Geschrieben von

Ulrich Kühne

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