Grenzen der Wissenschaft

Unser Wissen hat seinen Ursprung in unseren Wahrnehmungen. Diese sind geprägt vom Filter der Sinnesorgane und taugen deshalb nur für einen winzigen Bereich auf der Skala der Naturphänomene. Um die biologisch bedingten Grenzen unseres Weltbildes zu erweitern und Erkenntnisse zu sammeln, wie die Welt funktioniert, haben wir die Wissenschaft entwickelt. Religion und Metaphysik hatten als Vorläufer der Naturwissenschaft versucht, Naturerscheinungen zu erklären und die göttlichen Prinzipien in der Welt zu verstehen. Aber sie konnten und können nicht allen Antworten geben, weil sie zu unbestimmt, zu vage sind. Die Auseinandersetzung mit der aristotelischen Philosophie und ihren Prinzipien von Vernunft, Erfahrung und Natur gab den Anstoß, Glauben und Wissen methodisch zu unterscheiden.

Seit der Aufklärung dominierte die Ratio in einer zunehmend verwissenschaftlichen Welt. Aber erst im 19. Jahrhundert etablierte sich die Naturwissenschaft unwiderruflich als dritte kulturelle und akademische Kraft neben der Theologie und der Philosophie. Sie versucht vor allem durch Beobachtungen und Experimente die Phänomene der unbelebten und belebten Natur zu beschreiben und zu erklären. Die grundlegende Naturwissenschaft – das Kernstück der heutigen Naturwissenschaften – ist die Physik. Ihre Gesetze stehen für alles Materielle im Universum. Der harte Kern der Physik wiederum ist die Mathematik und das Experiment.

Wissenschaftliche Erkenntnis

Eine Strategie, um zu wissenschaftlicher Erkenntnis zu gelangen, war es zunächst, komplexe Phänomene auf Grundbausteine zu reduzieren und nach den sie bewegenden Mechanismen zu suchen. Die Welt sollte bis ins Kleinste auseinandergenommen werden, um zu wissen, wie sie funktioniert. Mit dieser analytischen Methode hat die Wissenschaft ungeheure Erfolge erzielt. Allerdings scheitert sie bei komplexen, nichtlinearen Systemen, wenn man diese im Voraus in definierte Untersysteme oder verschiedene Aspekte gliedert. Das Ganze ist mehr als die Summe der einzelnen Teile. Es lassen sich nur wenige heutige physikalische Probleme tatsächlich analytisch mit einem eindeutig zu beweisenden Ergebnis lösen. Fast alle anderen für Physiker interessanten Fragestellungen können auf diese Weise nur mit Hilfe von Näherungen geknackt werden.

Wichtige Eigenschaften der wissenschaftlichen Arbeit sind Objektivität, Einfachheit und Überprüfbarkeit. Die naturwissenschaftliche Erkenntnis beruht auf vier Quellen: Theorie, Beobachtung und Experiment – und neuerdings Computersimulationen. Die Experimente müssen quantitativ, reproduzierbar und unabhängig vom Experimentator überprüft werden können, um einen möglichst hohen objektiven Erkenntniswert zu erhalten. Wenn es keine Möglichkeit zur Messung im Experiment gibt, sind Simulationen (also virtuelle Experimente) ohne Alternative. Theorien, in der Regel Systeme von unter sich widerspruchsfreien Hypothesen, sollen es erlauben, Beobachtungen mit möglichst wenigen, einfachen Prinzipien zu beschreiben. (Üblicherweise wird der Begriff der Theorie für größere Gedankengebäude reserviert, während Hypothesen nachgeordnete Behauptungen darstellen.) Sie sind in der Naturwissenschaft eine unverzichtbare Brücke zwischen experimentellen Beobachtungen auf der einen Seite und dem Auffinden von Naturgesetzen und Grundprinzipien auf der anderen.

Eine Theorie darf aber grundsätzlich nie endgültig „richtig“ genannt werden, ihre Gültigkeit ist nur vorläufig. Durch zukünftige Beobachtungen und Messungen könnte ihr Gültigkeitsbereich nicht nur eingeschränkt, sondern sogar widerlegt werden – und eine andere, bessere Theorie tritt an ihre Stelle. Wissenschaftliche Wahrheiten stellen damit nur Annäherungen an die Wirklichkeit dar, können verbessert oder ganz verworfen werden.

Wissenschaftliche Vorgehensweise und Erkenntnisgewinnung bedeuten, Ergebnisse zu strukturieren, zu vereinfachen und auf eine dem Verstand, der evolutionär lediglich an den Bereich der mittleren Abmessungen angepasst ist, möglichst leicht zugängliche Form zu bringen. Als Bewohner einer Zwischenwelt zwischen Mikro- und Makrokosmos sind wir mit den Gesetzen der klassischen Physik vertraut. Mikrowelt und Makrowelt sind uns aber beide nicht unmittelbar zugänglich. Alle Theorien, Begriffe, Bilder sind daher an menschliche Vorstellungen gebundene Modelle. Sie liefern uns damit nur reduzierte Vorstellungen von der Wirklichkeit. Das Zusammenspiel von Modell und Wirklichkeit ist vielleicht so vage, wie es Platon in seinem Gleichnis von den Menschen in der Höhle schilderte, die von der Wirklichkeit nichts weiter wahrnehmen konnten als die Schattenbilder auf der Höhlenwand.

Wir haben keine modellunabhängigen Überprüfungen von dem, was real ist. Quantenphysik, aber auch Kosmologie, sind so unanschaulich, dass ihre avanciertesten Theorien wie entrückte Spekulationen anmuten. So hat die heutige Physik in der Welt der Atome ein Abstraktionsniveau erreicht, bei dem z. B. der stofflich handfeste Begriff des Teilchens so fragwürdig wird wie die Vorstellung, ein schwingendes Feld habe etwas mit Wasserwellen auf einem Teich zu tun. Werner Heisenberg schrieb, Naturgesetze beschäftigen sich nicht mehr mit Elementarteilchen, sondern mit dem Wissen von diesen „Teilchen“ – d. h. mit dem Inhalt unseres Geistes. Wir können nicht wissen, ob der Begriff ‚Elektron‚ eine Entsprechung in der Realität hat. Die Physiker haben sich im Diskurs lediglich auf seine Verwendung geeinigt, weil er für ihre Zwecke – z. B. die Beschreibung von Blitzen – hervorragend geeignet erscheint. Die Wissenschaft beschreibt also nicht, wie die Natur an sich ist, sondern drückt nur aus, was wir über die Natur zu sagen vermögen.

Mit den theoretischen Modellen können wir also Sachverhalte verstehen, auch wenn wir sie uns nicht vorstellen können. Ein „gutes“ Modell muss sich an nachprüfbaren Fakten orientieren und eine Fülle von Beobachtungen widerspruchsfrei beschreiben können. Außerdem muss es imstande sein, die Ergebnisse zukünftiger Beobachtungen vorherzusagen. „Mich interessiert das Modell, das die Beobachtungen am effizientesten erklärt“, sagt der Physiker und Kosmologe Paul Steinhardt. „Ob es die Realität trifft, ist eine abstrakte Frage.“

Mathematik

Mit der Mathematik können wir die Umwelt besser verstehen und beschreiben. Sie gehörte von Anfang an zur menschlichen Kultur; die Zahlen wurden sogar noch vor den Schriftzeichen erfunden. Mathematik stellt in vielfältiger Weise Strukturen zur Verfügung, die wir auf ihre Anwendbarkeit bei der Naturbeschreibung prüfen können. Die mathematischen Strukturen erfüllen eine Grundbedingung für objektive Existenz: Sie sind für jeden, der sie untersucht, gleich. Außerirdische Zivilisationen würden die gleichen mathematischen Strukturen finden, die wir kennen.

Die allermeisten Mathematiker meinen, dass mathematische Strukturen nicht erfunden, sondern entdeckt werden. Gödel verglich die Tätigkeit der Mathematiker mit der Entdeckungsreise in eine unbekannte Welt geistiger Objekte. Schon Galilei sah „das Buch der Natur … in der Sprache der Mathematik geschrieben“. (Für andere Wissenschaftler ist die Mathematik jedoch ein Produkt des höheren menschlichen Intellekts. Homo sapiens habe Beschreibungen, Abstraktionen und pragmatische Ordnungsprinzipien – Muster, Gesetze und Regelmäßigkeiten – erfunden, um die komplexe Natur zu vereinfachen.)

Eine Wissenschaft, die objektive Erkenntnis anstrebt, wird nicht gleichzeitig die Forderung nach Anschaulichkeit erfüllen können. Da unser Anschauungsvermögen nur mesokosmischen Strukturen gerecht wird, ist eine Naturwissenschaft, die sich nicht mit Beschreibungen zufrieden gibt, sondern Erklärungen sucht, auf die Verwendung mathematischer (und damit oft unanschaulicher) Strukturen unabdingbar angewiesen. Die überragende Bedeutung der Mathematik für die heutige wissenschaftliche Forschung liegt darin, dass sie die gewünschte Anschaulichkeit in gewissem Maße ersetzen kann.

Mit der Mathematik können die verschiedensten Dinge und Ereignisse der Realität modelliert bzw. beschrieben werden und wir gewinnen Erkenntnis, die nicht mesokosmisch, nicht anschaulich, nicht Alltagswissen ist. Es spielt in der modernen Wissenschaft kaum noch eine Rolle, ob wir uns etwas vorstellen können. In der Mathematik gibt es z. B. keinen Grund, warum der Raum nicht (beliebig) mehr als drei Dimensionen haben sollte. Doch anschaulich vorstellen können sich auch Mathematiker eine vierte oder zehnte Dimension nicht, da der menschliche Geist im dreidimensionalen Raum gefangen ist.

An den Grenzen der Wissenschaft dringt die Forschung so in Dimensionen von Raum, Zeit und Energie vor, die vom täglichen Leben unvorstellbar weit entfernt sind und sich oft nur in der Sprache der Mathematik beschreiben lassen. Die Mathematik bietet zwar nur eine abstrakte Darstellung der physikalischen Wirklichkeit, aber einen tiefen Einblick in das Wesen der Wirklichkeit und vertreibt weit verbreitete Missverständnisse. Mit Hilfe mathematischer Gleichungen vermag unser Geist also zu einer tieferen Ebene der Gewissheit vordringen. Damit eine Theorie also hinreichend bestimmt ist, um durch Beobachtungen überprüfbar zu sein, muss sie in aller Regel durch mathematische Gleichungen ausgedrückt werden.

Albert Einstein suchte für seine neue Theorie der Schwerkraft zunächst nach Gleichungen, die ihre Form möglichst unter beliebigen Koordinatentransformationen beibehalten. Mitte 1912 wurde ihm klar, dass seine Gravitationstheorie nach einer neuen mathematischen Ausdrucksweise verlangte. Der Durchbruch war die Erkenntnis, dass sich die Bewegungsgleichung in solchen dynamischen Gravitationsfeldern als Gleichung einer im weitesten Sinne geraden Linie in einer gekrümmten Raumzeit beschreiben lässt. Einstein und Grossmann sahen sich genötigt, die neue Mathematik der Raumzeit mit dem bekannten physikalischen Wissen in Gleichgewicht zu bringen – ein Balanceakt, der ihnen zunächst nicht gelang.

Die Vielfalt der Anwendungen, der Inspirationen und der Methoden haben die Mathematik zu dem gemacht, was sie heute ist: eines der mächtigsten Produkte des Denkens, welches die Menschheit je hervorgebracht hat. Ohne die Errungenschaften der Mathematik würde unsere moderne Welt nicht funktionieren. Ihre eisenharte Anwendung hat dazu geführt, dass wir Computer benutzen, Laserstrahlen erzeugen und zum Mond fliegen können. Bald wird der erste Quantencomputer anwendungsbereit sein.

Der erkenntnistheoretische Status der Mathematik ist deutlich von dem der Physik abgehoben. Auch diese macht reichlich Gebrauch von Formalismen, muss sie aber zusätzlich interpretieren und die Wirklichkeit erklären. Mathematische Beschreibung und Erklärung klaffen jedoch oft sehr weit auseinander, denn unsere Begriffswelt ist menschlich geprägt. So ist der Begriff „elektrische Ladung“ genau betrachtet ziemlich zweifelhaft. Er resultiert aus der Vorstellung, dass Körper, von denen elektrische Kräfte ausgehen, zuvor mit etwas „beladen“ worden seien. Doch wenn man einen Gegenstand elektrisch „lädt“, wird er nicht messbar schwerer oder leichter.

Denken wir auch an die sog. „Farbladung“ (Quantenchromodynamik), ein Begriff, der nur noch ein bildhaftes Abstraktum ist. Solche Modelle sind nicht die Wirklichkeit. Auch den Begriff „Aussehen“ gibt es nur in der mesokosmischen Welt, im Nanobereich besitzt er keine Bedeutung mehr. Und man weiß keineswegs, ob der Raum wirklich gekrümmt ist, wie die Allgemeine Relativitätstheorie behauptet. Aber bis heute ist keine physikalische Sicht der Welt bekannt, die überzeugender wäre als diejenige, sich den Raum „gekrümmt“ vorzustellen.

Physik hat keinen absoluten Wahrheitsanspruch. Ihre Hypothesen sind zwar experimentell äußerst gut bestätigt, müssen jedoch immer wieder kritisch hinterfragt und gegebenenfalls erweitert oder sogar ersetzt werden. Dagegen gilt ein gelungener mathematischer Beweis für immer. Dies ist der Grund, warum die Wissenschaftsdynamik der Mathematik wesentlich kumulativ ist.

Grenzen

Forscher erleben, dass sich „Ereignishorizonte“ der modernen Physik nicht überschreiten lassen. So verbergen sich Schwarze Löcher hinter einem Ereignishorizont – und das expandierende Universum können wir nur bis zur Hubble-Sphäre einsehen, weil die Lichtgeschwindigkeit endlich ist. Auch im Mikrokosmos gibt es Horizonte, etwa bei den Quarks, die in Ensembles gefangen sind. Schließlich definiert die Quantenphysik den wohl „spukhaftesten aller Horizonte“, die Grenze zwischen dem Wirklichen und dem Möglichen. Dort fange „Gott in der Tat an, zu würfeln“, schreibt der Physiker Helmut Salz.

Ob man auch mit der Mathematik an Grenzen stößt, ist eine interessante Frage. Zum Beispiel kommt man mit ihr bei dem Geheimnis des Materie-Antimaterie-Ungleichgewichts nicht weiter. Tatsächlich gibt es Wahrheiten, die sich einer mathematischen und logischen Beweisführung entziehen – dazu gehören sogar Aussagen, von denen man weiß, dass sie stimmen. Wahrheit ist etwas Umfassenderes als bloße Beweisbarkeit. Also kann auch die Mathematik keine letzte Antwort geben. „Man kann sogar sagen, dass fundamentale Fortschritte der Physik mit der Ablösung mathematischer Prinzipien durch nichtmathematische einhergeht.“ (Henning Genz)

Naturwissenschaftler unterschiedlichster Disziplinen sinnieren – trotz all der dramatischen Erkenntnisfortschritte ihres Metiers – vernehmlich über einen „unerklärbaren Rest„. Und sie nähren eine unbehagliche Ahnung: Auch wenn das letzte Gen kartiert, der längste Teilchenbeschleuniger gebaut, die größte Weltraumstation installiert sein wird, bleiben wesentliche Fragen offen. Quantenphysiker vertrauen zumindest in manchen Fällen darauf, dass man eine tiefere Ursache nicht nur nicht finden kann, sondern dass gar keine mehr da ist. „Ganz egal, welches Ding oder Ereignis wir betrachten, ob es ein materielles Objekt ist oder ein geistiges: Je mehr man nach dessen letzter Wirklichkeit sucht, desto mehr scheint es zu verschwinden. Es neigt dazu, seine Identität zu verlieren.“ (Geshe Thubten Jinpa, buddhistischer Philosoph)

Der Astronom Martin Rees bezweifelt, ob ein für die Verbesserung seiner Überlebenschancen in der Savanne optimiertes Gehirn überhaupt in der Lage wäre, die Komplexität von Kosmos, Leben und Geist vollständig zu erfassen. Der Reichtum einer vereinfachten, formalen Beschreibung, die das Bewusstsein mit seiner geringen Bandbreite aufnehmen kann, wird niemals groß genug sein, um die Vielfalt dessen wiederzugeben, was anders und außerhalb von uns ist. „Dort reicht das Auge nicht hin, die Sprache nicht, nicht der Geist. Wir wissen nicht, wir verstehen nicht, …“ (Upanischaden)

Quantengravitation, Stringtheorie, vereinheitlichte Theorien für die physikalischen Fundamentalkräfte, Supersymmetrie, Universen mit zusätzlichen Raumdimensionen, Multiversen – nichts garantiert, dass diese Hypothesen die Welt korrekt beschreiben. Sie besitzen keinerlei experimentelle Absicherung und wurden niemals konkret angewendet, und nur ein Verrückter würde es wagen, auf die Korrektheit ihrer Vorhersagen zu setzen. Und dennoch arbeiten seit Jahrzehnten Tausende von Forschern an solchen spekulativen Konstruktionen (wie etwa die Stringtheorie).

„Was uns beschäftigt ist nicht die Welt, deren Beschaffenheit eine ewiges Rätsel bleiben wird. Was uns vielmehr beschäftigt, das sind die Vorstellungen, die wir uns davon machen … Wir spüren nicht dem Universum nach, sondern dem Tanz, den es in uns anrichtet.“ (Der Physiker Timothy Ferris) Ein besonnener Standpunkt wäre, dass sich die Welt überhaupt nicht verstehen, wohl aber beschreiben lässt. (Bei einer Beschreibung fehlt etwas; es wurde Information aussortiert.)

Und trotzdem …

Wenn wir aber so weit davon entfernt sind, genug zu wissen, um auch nur annähernd die Welt zu verstehen, so folgt daraus unmittelbar – so wie die menschliche Natur einmal beschaffen ist -, dass wir auch keineswegs an die Grenzen der Erkenntnisbereitschaft, also unseres Wissensdranges, stoßen. Gerade die Einsicht in die Unzulänglichkeit aller Wissenschaft ist für Sokrates der Ausgangspunkt für alles weitere Streben nach wahrer Erkenntnis (Episteme). Der Zweifel und nicht die Gewissheit ist es, der uns weiterkommen lässt.

Die wissenschaftlichen Hypothesen sind gewiss spekulativ. Doch auch die heute etablierten Theorien waren einst spekulativ und ungesichert. Theoretische Spekulation unterscheidet sich aber vom Glauben darin, dass wir sie im Licht neuer Indizien und Entdeckungen modifizieren oder verwerfen können. Darin, dass Wissenschaft also über ihre eigenen Prämissen reflektieren und sie nötigenfalls korrigieren kann, zeigt sich ihr Vorteil gegenüber allen anderen Arten, sich der Wirklichkeit anzunähern.

Die Erkenntnisse der Wissenschaften sind oft unsere einzige Chance, die Welt tatsächlich besser zu verstehen. Wenn diese uns dann fremdartig erscheint, ist das nur ein Fehler unserer naiven Alltagstheorien. Kein anderes Wissen verdient so viel Vertrauen wie das der Naturwissenschaft. Diese ist nicht deshalb vertrauenswürdig, weil sie uns sagt, gewisse Dinge seien wahr, sondern weil ihre Antworten die besten sind, die wir besitzen. Das ist fast Definitionssache: Erscheint eine bessere Antwort, so ist eben die neue Antwort ab sofort die „wissenschaftlich aktuelle“.

Die Newton’sche Physik war bis zu Einstein synonym mit der Naturwissenschaft. Als dieser ein besseres Bild entdeckte, in dem der Raum gekrümmt, die Zeit nicht überall gleich ist und das Licht aus Photonen besteht, wurde deswegen die Newton’sche Lehre keineswegs als unwissenschaftlich oder gar falsch abgetan. Ganz im Gegenteil sind wir auch heute noch davon überzeugt, dass sie zu ihrer Zeit eine bemerkenswerte naturwissenschaftliche Theorie war.

Bislang wissen wir nur, dass das angepeilte Weltbild deutlich anders aussehen wird als unser bisheriges. Vielleicht ist eine ganz andere Art von Physik möglich. Zukünftige Entwicklungen werden jedenfalls alles, was bisher erreicht worden ist, weit hinter sich lassen. Unsere gegenwärtigen Beobachtungen erscheinen dann vielleicht ebenso kurios wie die Theorien der Vergangenheit uns heute anmuten.

Obwohl das Wissen der Wissenschaft also vorläufig und fehlbar ist, ist die Wissenschaft eine im Wesentlichen unabhängige Quelle unseres Wissens. Sie beschreibt, erklärt, etabliert, erweitert, kommuniziert und zeigt, wie die Dinge funktionieren. Antworten auf bestimmte Fragenkomplexe werfen wieder neue Fragen auf, auf die wir zuvor nie gekommen wären. Dabei ringen die Forscher laufend darum, uns von zahlreichen Vorurteilen zu befreien und bessere Weltsichten zu entwickeln, die korrekter und effizienter sind. Die Wissenschaft sucht nach dem Verlässlichen und versucht, menschlichen Glauben und Irrtümer auszuschließen.

Die Verteidigung des naturwissenschaftlichen Denkens dient heute der Verteidigung von Rationalität, Zweifel und Dialog – gegen die gefährlichen Gewissheiten von Irrationalismus und Fanatismus und gegen die Gewissheiten und die Arroganz der Macht. Dazu müssen wir rational mit den wissenschaftlichen Aussagen umgehen und sie gegen postmoderne Beliebigkeiten und zwielichtige Zweckentfremdungen (pseudogelehrte Phrasen) verteidigen! Übertragen auf Gesellschaftliches, Persönliches und selbst auf Teile der Medizin kann der naturwissenschaftliche Wahrheitsbegriff zur Ideologie geraten, der die menschliche Wirklichkeit leugnet. Die Folgen sind Denkverbote, Expertokratie und Verantwortungsscheu.

REM