Freiheit und Optimismus

Über L for Liberty bin ich auf ein Video aufmerksam geworden, in dem der Objektivist David Harriman sich mit der modernen Physik auseinander setzt. Die Thesen, die er hierbei entwickelt halte ich für so grundfalsch, dass ich mich genötigt sehe ihnen in diesen Beitrag entgegen zu treten. Für den interessierten Leser ist das eine Gelegenheit, Wissenswertes über die Quantenmechanik zu erfahren.

Seine Grundthese ist das die Physik wichtige Prinzipien verworfen hat, die eine wissenschaftliche Tätigkeit erst ermöglichen. Für ihn besteht Wissenschaft in dem Bemühen herauszufinden, was die Beschaffenheit der Welt (wörtlich: constitution of universe) ist. Schon diese Aussage ist nicht korrekt, aber zunächst weiter mit Harriman. Der Wissenschaft stellt er den Skeptizismus entgegen, der sich darauf beschränke Erscheinungen zu beschreiben. Wissenschaft beruhe nun auf der Annahme, dass es eine objektive Realität überhaupt gibt und das der Mensch fähig sei diese zu erkennen. Dies setzt voraus, dass die Art, wie wir Welt betrachten, diese nicht beeinflusst (Objektivität), dass jede Wirkung eine Ursache hat (Kausalität) und dass die Gesetze der Logik gelten. Harriman wirft der modernen Physik nun vor Objektivität, Kausalität und Logik zu negieren. Diese Negationen seien aber nicht, wie die Physiker behaupten, eine Konsequenz bestimmter Experimente, sondern eine Folge der Beeinflussung durch die Philosophie Kants. Die Experimente können auch auf alternative Weisen interpretiert werden, durch die das Fundament der Wissenschaft bewahrt werde.

Schon der Aussage „Wissenschaft besteht in dem Bemühen herauszufinden, was die Beschaffenheit des Universums ist“ würden die meisten Wissenschaftler widersprechen. Eine geeignetere Charakterisierung wäre „Wissenschaft versucht die Naturvorgänge durch allgemeine Gesetzte zu beschreiben“. Im Zentrum der Naturwissenschaft steht eben nicht das Erklären sondern Beschreiben. Dieses Beschreiben geht über eine bloße Datensammlung dadurch hinaus, dass sie durch allgemeinen Gesetzten erfolgen soll. Die Beschreibung für Vorgang A soll auch auf Vorgang B übertragbar sein. Die Frage der Beschaffenheit der Welt ist im Grunde keine Frage der Naturwissenschaft, sondern eine der Ontologie.

Der Grund dafür, dass in der Wissenschaft Beschreibungen allgemein sein sollen, ist das Sparsamkeitsprinzip, auch Ockhams Rasiermesser genannt: Von zwei Theorien mit der gleichen Aussagekraft ist die einfachere vorzuziehen. Eine Vielzahl von Theorien mit kleinem Gültigkeitsbereich ist komplexer als eine einzelne, die für sehr viele Phänomene gültig ist. Würde man Ockhams Rasiermesser nicht beachtet wäre die Konsequenz, dass man sich mit Problemen beschäftigt, die keine Relevanz für den eigentlichen Erkenntnisfortschritt haben. Die Beschäftigung mit solchen Problemen würde den Erkenntnisfortschritt behindern oder sogar zum Stillstand bringen. Meines Erachtens verstößt Harrimans Position gegen Ockhams Rasiermesser, aber dazu später mehr.

Auch an dem Versuch Harrimans zu zeigen, dass in der Physik Objektivität, Kausalität und Logik verletzt werden, wird deutlich, dass seine Wahrnehmung der modernen Physik einem Zerrbild unterliegt. Der Eindruck in der Physik sei die Objektivität nicht gewährleistet, wird durch die Auffassung der meisten Physiker hervorgerufen, dass eine Eigenschaft erst durch ihre Messung hergestellt wird. Der Grund für diese Auffassung ist die heisenbergsche Unbestimmtheitsrelation, der zufolge gibt es Paare von Eigenschaften (präziser: Observablen), die nicht gleichzeitig genau bestimmt werden können. Solche Eigenschaften bezeichnet man als komplementär. Das bekannteste komplementäre Paar besteht aus Ort und Impuls. Interessant wird es, wenn man komplementäre Eigenschaften abwechselnd hintereinander misst.

Ein einfacheres Beispiel als Ort und Impuls ist der Spin, eine Art Drehimpuls. Er wird immer in Bezug auf eine bestimmte Richtung gemessen und kann nur zwei Werte annehmen: up und down. Die Eigenschaft die zu dem Spin einer bestimmten Richtung komplementär ist, ist der Spin einer dazu orthogonalen Richtung. Angenommen man misst man den Spin in Richtung der x-Achse eins Koordinatensystems und erhält Spin up, ist die Wahrscheinlichkeit für Spin up oder down in Richtung der y-Achse jeweils 50%. Liegt der Wert für die y-Richtung fest und messen wir wieder den für die x-Richtung erhalten wir nicht etwa das Ergebnis der vorhergehenden Messung also Spin up, sondern wir enthalten Spin up oder down entsprechend ihren Wahrscheinlichkeiten (hier jeweils 50%). Wie das Ergebnis der Messung ausfallen wird, kann man dem System nicht ansehen. Die große Debatte ist, ob es verborgene Parameter gibt die schon vor der Messung das Ergebnis festlegen, aber selbst nicht gemessen werden können. Da verborgene Parameter an der Physik nichts ändern gebietet meines Erachtens das Ockhamsche Rasiermesser auf sie zu verzichten. (Hat eigentlich jemand behauptet dieser Artikel wird einfach?)

Da die Eigeneschaften eines Objekts in der Standardquantenmechanik erst durch den Messprozess entstehen, spricht man auch davon, dass sie eine nicht-realistische Theorie sei. Nicht-realistisch meint, dass die Eigenschaften nicht unabhängig von der Messung vorliegen. Es stellt sich die Frage ob der Nicht-Realismus der Quantenmechanik mit dem wissenschaftlichen Realismus vereinbar ist. Dem wissenschaftlichen Realismus zufolge gibt es eine vom Denken unabhängige Wirklichkeit, die der Erkenntnis zugänglich ist. Die Standardquantenmechanik scheint dem wissenschaftlichen Realismus zu widersprechen, denn wenn die Eigenschaften eines Objekts Teil der Welt sind, wie kann dann die Welt vom Beobachter unabhängig sein? An einen Widerspruch der Quantenmechanik zum wissenschaftlichen Realismus glaube ich nicht wirklich. Wäre die Quantenmechanik mit ihm unvereinbar, würde sie tatsächlich gegen die Grundlagen wissenschaftlichen Arbeitens verstoßen. Es lässt sich jedoch auch mit Quantenmechanik hervorragend wissenschaftlich arbeiten. Ein Ausweg aus dem Dilemma scheint zu sein, dass die Eigenschaften eines Objekts nur dann als Teil der Welt zu betrachten sind, wenn sie durch eine Messung oder einer Messung ähnlichen Naturvorgang festgelegt werden. Die Werte die eine Eigenschaft annehmen kann oder besser gesagt deren Wahrscheinlichkeitsverteilung wird von dem quantenmechanischen Zustand des Objekts bestimmt. Dieser Zustand ist dem Beobachter zumindest indirekt zugänglich. Damit ist meines Erachtens der Widerspruch zwischen dem nicht-Realismus der Quantenmechanik und dem wissenschaftlichen Realismus aufgehoben. Die Quantenmechanik verstößt nicht notwendigerweise gegen die Objektivität.

Ob die Kausalität verletzt wird hängt natürlich, davon ab was man unter Kausalität versteht. Unter Physikern ist die Definition beliebt, dass ein System genau dann kausal ist, wenn seine Entwicklung nur von gegenwärtigen oder  vergangenen Werten abhängt. Die Quantenmechanik ist eine in diesem Sinne kausale Theorie. Die Entwicklung eines Zustands hängt nur von dem gegenwärtigen Zustand und dem Hamiltonoperator des Systems ab. (In diesem Kausalbegriff ist es natürlich müßig von der Ursache zu sprechen, die Gesamtheit des vorrangegangen Zustandes hat den gegenwärtigen verursacht. Einen Teil davon, der für uns besonders relevant ist, hervorzuheben und als Ursache zu bezeichnen, ist eine notgedrungene, hoffentlich zulässige Vereinfachung.) Harrimans Kausalitätsbegriff scheint davon abzuweichen und einem Determinismus zu entsprechen. Für ihn wäre ein System dann kausal, wenn seine Entwicklung durch die Gegenwart eindeutig festgelegt wäre. Was in der Quantenmechanik nicht der Fall ist (solange man auf die Viele-Welten-Deutung verzichtet), da in ihr nur Wahrscheinlichkeiten für verschiedene Ergebnisse festgelegt sind, nicht aber das Ergebnis selbst. Aber auch hier bin ich der Überzeugung, dass die nicht-deterministische Kausalität, der in der Quantenmechanik gewährleistet ist, ausreicht, um Wissenschaft zu ermöglichen.

Die Kausalität ist für die Wissenschaft notwendig, weil sie Induktionsschlüsse ermöglicht. Der Glaube an die Kausalität ist nichts anderes als die Annahme, dass sich die Natur unter gleichen Bedingungen gleich verhält. Diese Annahme ist die Grundvoraussetzung, um überhaupt Physik betreiben zu können. Nur wenn auf Ursache A zuverlässig Wirkung B folgt, lässt sich erkennen, dass zwischen A und B eine allgemeine Gesetzmäßigkeit besteht. Wäre der Zusammenhang zwischen A und B deterministisch d.h.  auf A folgt immer B, lässt sich diese Gesetzmäßigkeit sehr leicht bestätigen. Ist er hingegen nur probabilistischer Natur, wie die Aussagen der Quantenmechanik, muss mehr Aufwand getrieben werden. Der Zusammenhang lässt sich jedoch immer noch feststellen. Die Quantenmechanik ist also hinreichend Kausal, um Wissenschaft betreiben zu können.

Die Gesetzte der Logik sieht Harriman verletzt, weil in der Quantenmechanik angeblich Widersprüche zugelassen sein. Er spielt hier auf den Welle-Teilchen-Dualismus an. Er geht davon aus das sich das Wellen-Modell und das Teilchen-Modell ausschließen. Da in der Quantenmechanik ein Objekt sowohl Teilchen als auch Wellen Charakter haben kann, glaubt Harriman das ein Widerspruch vorliegt. Weitere Scheinwidersprüche ergeben sich daraus, dass sich in der Quantenmechanik verschiedene Zustände überlagern können. Aber zunächst zum Welle-Teilchen-Dualismus.

Wie der Name schon sagt handelt es sich bei dem Wellen- bzw. Teilchen-Modell um Vorstellungen, die nicht genau der Realität entsprechen müssen. Es kann sich herausstellen das weder das eine noch das andere Modell die Wirklichkeit adäquat beschreiben. Genau das ist geschehen.  Es hat sich gezeigt, dass es Situationen gibt, in denen das eine Modell gut mit den Experimenten übereinstimmt und andere für die das andere heranzuziehen ist. Keines der Modelle beschreibt die Natur als Ganzes, daher lässt sich auch schlecht von einem Widerspruch sprechen.

Auch die Überlagerung von verschieden Zuständen zu einem neuen ist kein Widerspruch. Wie sich ein Zustand darstellt, also auch ob er aus andern Zuständen zusammengesetzt ist oder nicht, hängt davon ab in welchen Koordinaten er abgebildet wird. Die Überlagerung von Zuständen ist genauso wenig ein Widerspruch, wie eine Bewegung in der Diagonalen, die ja nicht deshalb unmöglich ist, weil sich etwas nicht gleichzeitig horizontal und vertikal bewegen kann.

Harriman beendet seine Ausführungen zur modernen Physik mit einer Polemik gegen die Spezielle und Allgemeine Relativitätstheorie, die sich tatsächlich auf dem Niveau von Crackpots befindet und auf die ich nicht näher eingehen will. Er wendet sich daraufhin der Ursachenanalyse, mit der ich mich in einem zweiten Teil dieses Artikels auseinandersetzten werde.