Widersprüche zwischen den zwei grossen theoretischen Gebäuden der heutigen Physik – Zur Phänomenologie schwarzer Löcher

Man könnte schwarze Löcher für eine für unser Leben belanglose Kuriosität einer bereits bizarren Theorie halten, die ausserhalb der Kosmologie und Astrophysik keine allzu grosse Rolle spielen sollte. Lange war sie das auch, bis die Physiker merkten, dass sich gerade in der theoretischen Beschreibung schwarzer Löcher fundamentale Unterschiede zwischen den beiden Theorien ergeben, die das Fundament der heutigen Physik bilden: der allgemeinen Relativitätstheorie und der Quantentheorie. Bis dahin hatten sie ungestört voneinander koexistieren können, die Quantentheorie die atomare Welt des Mikrokosmos beschreibend, die allgemeine Relativitätstheorie den Makrokosmos der Galaxien und das Universum als Ganzem. Beide Theorien in eine einzige Theorie mit Geltungsbereich über sämtliche Skalen hinweg zusammenzubringen, erwies sich mit zunehmenden Bemühungen gar als theoretisch unmöglich. So ist aus Sicht der Quantentheorie die allgemeine Relativitätstheorie immer noch eine „klassische Theorie“, die ohne Quantensprünge und Wahrscheinlichkeitswellen auskommt, während aus der Sicht der allgemeinen Relativitätstheorie die Quantentheorie nach wie vor eine „hintergrundunabhängige Theorie“ darstellt, d.h. sie kennt keinen Einfluss von Materie auf die Struktur von Raum und Zeit (da die Gravitation an die Materie gekoppelt ist, welche wiederum quantentheoretisch beschrieben wird, entsteht eine physikalische Inkonsistenz: Die Raum-Zeit kann nicht zugleich statisch absolut und dynamisch sein). Schwarze Löcher, fallen nun aber in den Geltungsbereich von allgemeine Relativitätstheorie und Quantentheorie zugleich und stellen daher einen Testfall für beide dar.

Gemäss der Einstein’schen Theorie kann nichts und gar nichts jemals aus einem schwarzen Loch entkommen. Alles, was in ein solches hineinfällt, verliert seine Struktur und Form. Das schwarze Loch selbst lässt sich alleine durch seine Masse, Spin (Eigendrehimpuls) und Ladung eindeutig charakterisieren. Oder, wie es der bekannte theoretische Physiker John Wheeler einmal formulierte: „Schwarze Löcher haben keine Haare“. Dieses „klassische“ Bild schwarzer Löcher brachte der heute wie ein Popstar verehrte Physiker Stephen Hawking in den 1970er Jahren ins Wanken (was ihm schliesslich den Ruf des Genies einbrachte – wozu allerdings sicher auch seine tragische Erkrankung beitrug). Unter Verwendung quantenfeldtheoretischer Überlegungen kam Hawking zu dem Schluss, dass aus einen schwarzen Loch durchaus etwas herauskommen kann, und zwar in Form der heute so genannten „Hawking-Strahlung“. Damit könnte ein (isoliertes) schwarzes Loch zum Schrumpfen gebracht werden, was wiederum bedeuten würde, dass es früher oder später verschwinden würde, mitsamt allem, inklusive jeglicher Information, was es je verschluckt hat. Das wiederum widerspricht den Gesetzen der Quantentheorie, weshalb Hawking forderte, diese entsprechend abzuändern (um solchen Informationsverlust zu erlauben).

Die Sache führt uns in tief in die Problemstruktur der heutigen theoretischen Physik. Tatsächlich kommen wir, um schwarze Löcher zu beschreiben, nicht darum herum, eine dritte wesentliche Theorie der heutigen Physik herbeizuziehen, die Thermodynamik. In ihr verfügt jedes physikalische System über ein so genannte „Entropie“, ein Mass für die darin enthalten Unordnung (oder äquivalent seine Information). Gemäss Hawking sollte sich auch einem schwarzen Loch ein solches Mass zuordnen lassen (was die Relativitätstheorie aufgrund ihrer „Haarlosigkeit“ nicht zulässt). Lässt sich aber einem schwarzen Loch Entropie zuordnen, so müsst es dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik gehorchen, nachdem in einem (geschlossenen) System die Entropie niemals sinken kann. Gemäss der klassischen Sicht wäre ein schwarzes Loch jedoch ein „Entropie-(oder analog „Informations-) Vernichter“. Das Dilemma, vor welchem die theoretischen Physiker stehen, lässt sich also wie folgt formulieren:: Entweder sie lassen den Verlust der Information (oder Entropie) zu und müssen die Quantentheorie (und die Thermodynamik) entsprechend modifizieren, oder sie lassen Information aus schwarzen Löchern entkommen, was einer Ergänzung der allgemeinen Relativitätstheorie bedarf.

Die Lösung liegt wahrscheinlich in einer Abpassung an beide Theorien. Und theoretische Physiker wären keine theoretischen Physiker, wenn sie sich auch hier nicht schon etwas einfallen hätten lassen. Die dafür notwendige Mathematik ist allerdings noch einmal um vieles abstrakter und komplizierter ist als es die mathematische Struktur der Relativitäts- und Quantentheorie ist (die es bekannterweise schon in sich hat). Mit Hilfe der so genannten ‚Stringtheorie‘, welche anstelle von Elementarteilchen, die keine räumliche Ausdehnung haben (also null-dimensional sind), sogenannte Strings (englisch für „Fäden“ oder „Saiten“) mit eindimensionaler räumlicher Ausdehnung als die fundamentalen Objekte in der Natur ansieht, gelang den Quantentheoretikern Donald Marolf und Juan Maldacena 2004 der Beweis, dass mit der Hawking-Strahlung schwarzen Löchern tatsächlich Information entzogen werden kann (woraufhin zuletzt auch Hawking seine Meinung änderte und zugleich entsprechende Wettschulden einlöste). Dies kann aber nur geschehen, wenn die Kodierung der Information etwas mit einem weiteren bizarren Quantenphänomen zu tun hat, mit der so genannten „Verschränkung” von Quantenteilchen. Mit diesem Effekt bleiben gemeinsam entstehende Teilchen, wie sie der Hawking-Strahlung zugrunde liegen, selbst auf grosse Entfernungen hinweg miteinander verbunden („verschränkt“, wie es in der Fachsprache heisst).

Erst kürzlich konnte der theoretische Physiker Joseph Polchinski zeigen, dass die Hawking-Strahlung die Information nur dann aus dem Inneren nach aussen tragen kann, wenn die Verschränkung der Teilchenpaare zerstört wird. Dieser setzt allerdings eine grosse Menge an Energie frei, so dass der Eingangsbereich des Schwarzen Loches (auch „Ereignishorizont“ genannt) sich in eine Wand aus Feuer verwandelt. Dies wiederum widerspricht der allgeneinen Relativitätstheorie, gemäss welcher einfallende Teilchen den Ereignishorizont gar nicht bemerken sollten.

Die Debatte um Schwarze Löcher ist also keineswegs beendet. Man könnte sogar sagen, sie beginnt er jetzt so richtig. An ihrem Ende, d.h. mit einer vollständigen, physikalisch widerspruchsfreien Beschreibung Schwarzer Löcher, muss die von den Physiker so sehnsüchtig herbeigewünschte, Quantenfeldtheorie und Relativitätstheorie verbindende „endgültige Theorie“ stehen, eine letzte Grundtheorie der Natur, die so genannte „Theory of Everything“ (TOE).

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Jahrgang 1969 habe ich in den 1990er Jahren Physik und Philosophie an der Universität Bonn und der École Polytechnique in Paris studiert, bevor ich am Max-Planck-Institut für Physik komplexer Systeme in Dresden im Bereich theoretischer Physik promoviert und dort auch im Rahmen von Post-Doc-Studien weiter auf dem Gebiet der nichtlinearen Dynamik geforscht habe. Vorher hatte ich auch auf dem Gebiet der Quantenfeldtheorien und Teilchenphysik gearbeitet. Unterdessen lebe ich seit nahezu 20 Jahren in der Schweiz. Seit zahlreichen Jahren beschäftigte ich mich mit Grenzfragen der modernen (sowie historischen) Wissenschaften. In meinen Büchern, Blogs und Artikeln konzentriere ich mich auf die Themen Naturwissenschaft, Philosophie und Spiritualität, insbesondere auf die Geschichte der Naturwissenschaft, ihrem Verhältnis zu spirituellen Traditionen und ihrem Einfluss auf die moderne Gesellschaft. In der Vergangenheit habe ich zudem zu Investment-Themen (Alternative Investments) geschrieben. Meine beiden Bücher „Naturwissenschaft: Eine Biographie“ und „Wissenschaft und Spiritualität“ erschienen im Springer Spektrum Verlag 2015 und 2016. Meinen Blog führe ich seit 2014 auch unter www.larsjaeger.ch.

25 Kommentare Schreibe einen Kommentar

  1. “Hawking-Strahlung”

    Die sollte doch eher Bekenstein-Strahlung genannt werden. Hawking hat das doch nur übernommen (siehe “Gekrümmter Raum und verbogene Zeit”, Kip Thorne).

  2. Mich würde mal interessieren, weshalb man den Namen “Hawking” relativ häufig falsch geschrieben sieht, vor allem von Laien (was sich jetzt nicht auf den Artikel bezieht). Bei Schauspielern, Musikern, Sportlern, etc. mit ähnlichem Bekanntheitsgrad passiert das ja auch nicht. Der Artikel deckt neben dem richtigen “Hawking” ja mit “Hawkings” (wo das “s” auch nicht vom Genitiv kommt) und “Hawkins” auch zwei geläufige Falschschreibungen ab ; )
    Womöglich ist mein Eindruck aber auch falsch und ich konnte Fälle von “Max Plank”, “Erwin Schrödingler”, “Albrecht Einstein” o. Ä. schlicht nur (noch) nicht beobachten und lese nicht genug mit, wenn sich Leute über die anderen genannten Professionen unterhalten.

  3. MacGyver,
    —–richtige Schreibweise,
    Stellen Sie sich vor, Sie schreiben den Vornamen Ihrer Freundin falsch. Was dann passiert, möchte ich gar nicht ausmalen.
    Die Namen von Stars aus Funk und Fernsehen lesen die Menschen jeden Tag. Den Namen Henry Bequerel oder Henri Beqerel lesen sie nicht jeden Tag und vor allen Dingen fehlt die emotionale Beziehung.
    Und zum Dritten ist es doch gut, wenn einige Zeitgenossen den Namen falsch schreiben. Sie wissen dann sofort,
    das ist ein Fachmann und das ist ein Hobbywissenschaftler.

  4. Wer sagt, dass man bei den Schwarzen Löchern noch was noch ganz anderes findet.

    Warum ist man sich so sicher schon an der Theory of Everthing dran zu sein???

  5. Zoran Jovic,
    ……..Theorie von Allem,
    Sehr gut, bei dem Thema Schwarze Löcher schwingt auch ein wenig Satire mit, damit man nicht glaubt, das Große Welträtsel gelöst zu haben.

  6. Der deutsche Begriff “Weltformel” für die „Theory of Everything“ (TOE) hört sich meiner persönlichen Meinung nach besser an als eine “Theorie von Allem”.
    Manche Wissenschaftler wie Robert Laughlin und Philip Anderson sind der Auffassung das es nicht möglich ist eine Theorie wie die “Weltformel” zu formulieren mit der tatsächlich die komplexen Zustände der Realität erklärt werden können.

    • Robert Laughlin könnte auch dann recht haben wenn es eine Theory of Everything und damit eine Weltformel gäbe. Dann nämlich, wenn das wesentliche gar nicht in den Grundgleichungen daherkommt, sondern emergent ist. Genau daran glaubt Robert Laughlin – daran, dass das Zusammenspiel der Grundelemente überhaupt erst die wichtigen Dinge erzeugt und zwar in einer so komplexen Art und Weise, dass die Kenntnis der Grundelemente nicht viel beim Verstehen hilft. Robert Laughlin kommt aus der Festkörperphysik und dort gibt es bereits das Phänomen, dass viele Festkörpereigenschaften durch ein komplexes Zusammenspiel von atomaren und subatomaren Elementen zustande kommen.

  7. Zwischen fundamentalen und emergenten Eigenschaften oder Gesetzen gibt es keinen Unterschied. Die Überlagerung der Wirkungen mehrerer Teilchen zu Phänomenen hat mit Emergenz nichts zu tun. Das Erkennen von Komplexität setzt bereits die Möglichkeit der Zerlegung voraus. Somit kommt man am Reduktionismus einfach nicht vorbei, wenn man die Welt verstehen will. Das Wesen der fundamentalen Gesetze ist ihre Universalität, ihre universelle Gültigkeit unabhängig von Ort, Zeit und Kontext.

    Eine Weltformel müsste wohl auch sich selbst enthalten und erklären. Aus dem Universum kommen wir nicht heraus. Es ist daher zweifelhaft, ob es einen Menschen geben wird, der so viel Phantasie hat, das Universum in seiner Gänze zu beschreiben. In einem Haus ohne Öffnungen kann man keine Informationen über die Außenfassade oder die Dicke der Wände bekommen.

    • Letztlich sind sogar lebende Zellen mit der Quantenfeldtheorie beschreibbar, mindestens theoretisch, doch praktikabel ist das nicht. Viel näher an der Quantenwelt liegt die Festkörperphysik – und trotzdem hat es dort in den letzten Jahrzehnten eine Tendenz weg von den ab-initio Methoden hin zur Beschreibung von Subsystemen mit empirisch beobachteten Gesetzen gegeben.
      Die Praktikabilität spielt eine nicht zu unterschätzende Rolle. Selbst in einer rein deterministischen , von einem Laplaceschen Dämon regierten Welt, verliert die Determiniertheit an Bedeutung, wenn die Berechnung eines zukünftigen Zustands mehr Rechenzeit benötigt als das Universum alt ist.

    • Emergenz bedeutet, dass etwas überhaupt erst durch Zusammenwirkung von Elementen, von Komponenten entsteht. Das emergente Phänomen ist in keiner Einzelkomponente zu finden. Ein Beispiel dafür ist das was man in der Physik die Temperatur nennt. Ein einzelnes Teilchen hat keine Temperatur und sie erhalten durch keine noch so reduktionistische Betrachtung eine Temperatur. Erst ein Kollektiv von Teilchen besitzt eine Temperatur. Emergenz bedeutet, dass durch ein gesetzmässiges Zusammenwirken von Komponenten etwas entsteht, was keine Komponente für sich besitzt. Im Prinzip sind wir alle mit Emergenzen vertraut. Ein Liebespaar ensteht erst durch die Paarung findet sich aber nicht in den beiden Personen, die das Paar bilden. Ein Schachspiel lässt sich in keinem der Schachfiguren, die zu einem Schachspiel gehören, entdecken. Doch alle Figuren zusammen und mit den Zugregeln ergeben dann das Spiel.

      • Solitonen (selbsterhaltendes Wellenpaket), Hurrikane,Rossby-Wellen, die Oberflächenspannung von Wasser sind alles emergente Phänomene, denn sie zeigen eigene Gesetzmässigkeiten, die sich nicht direkt in den sie formenden Komponenten finden. Das beste Beispiel für die Kraft der Emergenz scheint mir aber biologisches Leben in Form von Organismen zu sein, weil es zeigt wie die Orchestration von Subsystemen etwas erzeugen, reproduzieren und erhalten kann, was eine ganz neue Welt von Phänomenen beinhaltet, die auf der Ebene der Primitiva – nämlich der Molekülansammlung im Organismus -,nicht existieren. Interessant an Organismen sind Phänomene wie die der Homöostase und der Selbsterschaffung und -erhaltung des Organismus (Autopoiese), denn sie sorgen dafür, dass Organismen nicht nur temporäre Erscheinungen wie Rossby-Wellen sind, sondern eine Welt begründen, die zwar dynamisch und ausserhalb eines Gleichgewichts ist, sich aber dennoch behauptet gegen die Kräfte, die das Gleichgewicht (den Tod) wieder herstellen wollen.

  8. @Martin Holzherr;
    Man darf Emergenz nicht mit Phänomenen verwechseln. Wenn man Emergenz so großzügig verwendet, wie Sie es hier tun, dann verliert die Naturwissenschaft jede Bedeutung, weil man alles als Emergenz deklarieren kann und man den beobachtbaren Phänomenen nicht mehr auf den Grund gehen muss.

    Jede Anziehung oder Abstoßung kann nur wirken, wenn mindestens zwei Körper vorhanden sind. Die Kräfte sind aber Eigenschaften von jedem der Körper. Emergenz wäre dann gegeben, wenn bei einer Mehrzahl von Teilchen neue Kräfte oder andere physikalische Eigenschaften entstehen würden. Die Überlagerung der bekannten Kräfte bringt eine unermessliche Vielzahl von Phänomenen hervor. Emergenz ist dazu nicht erforderlich.

    Die Kybernetik zeigt, wie aus einfachen Mechanismen komplexe Vorgänge entstehen können. Ein einfaches Sieb kann zwischen kleinen und großen Objekten unterscheiden. Solche Vergleiche sind Grundfunktionen des Lebens, z.B. Enzym und Substrat, oder Neurotransmitter und Rezeptor. Dazu braucht es weder Mysterien noch Metaphysik.

    • Emergenz wie sie in der englischsprachigen Wikipedia definiert ist, ist keine Metaphysik. Genau so wie dort definiert und exemplifiziert, habe ich das Wort verwendet.
      Und ich bin nicht allein: Eine lebende Zelle nur mit Chemie zu erklären macht niemand. Zurecht ist Biologie und Zelllehre ein eigenes Fach und nicht nur eine Spezialisierung für Chemiker. Denn es tauchen völlig neue Phänomene bei lebenden Zellen auf, eigenständige, nicht auf die beteiligten Komponenten reduzierbare Phänomene und Gesetzmässigkeiten. Oft haben die unterliegenden Komponenten eines emergierten Systems zudem nur noch eine funktionale Bedeutung. Sie können unter Umständen ausgetauscht werden. Beispiel: In der Biologie findet sich die funktionale Absicht etwas an einer bestimmten Stelle zu bauen in den Homöobox-Genen. Homöobox-Gene haben damit eine ähnliche Funktion wie Baupläne in der Architektur und das Material, das verwendet wird erfüllt eine beabsichtigte Funktion und steht nicht mehr an primärer sondern an sekundärer Stelle (wie ein Backstein ein Element einer Mauer sein kann und eine Funktion erfüllt, die allenfalls von etwas anderem übernommen werdne kann).

      Der Streitpunkt ist wenn schon der zwischen“starker” und “schwacher” Emergenz. Hierzu ein Abschnitt aus der Wikipedia (von mir übersetzt)Starke Emergenz beschreibt die direkte Kausalwirkung eines komplexen Systems auf seine Komponenten; Qualitäten, die auf diese Weise erzeugt werden, sind für die Bestandteile des Systems irreduzibel (Laughlin 2005). Das Ganze ist etwas anderes als die Summe seiner Teile. Ein Beispiel aus der Physik einer solchen starken Emergenz ist das Medium Wasser, dessen Verhalten auch nach einer intensiven Untersuchung der Eigenschaften seiner konstituierenden Atome Wasserstoff und Sauerstoff scheinbar unvorhersehbar ist.

      Das Verhalten von Wasser lässt sich tatsächlich auch heute noch nur schwer allein aus der Quantenbeschreibung seiner Atome berechnen. Meiner Ansicht nach ist es aber nicht ausgeschlossen, dieses Verhalten aus der Quantenbeschreibung abzuleiten. Es ist allerdings so schwierig, dass es nicht mehr praktikabel ist. Komplexes Verhalten eines aus Komponenten bestehenden Systems, das auf praktische Art und Weise nicht aus den Komponenten herleitbar ist, kann meiner Ansicht nach ebenfalls als Emergenz-Phänomen betrachtet werden.

  9. @Martin Holzherr;
    Man darf die Landkarte nicht mit der Landschaft und die Wissenschaft nicht mit der Wirklichkeit verwechseln. Aus der Existenz von Begriffen kann nicht die Existenz der bezeichneten Objekte abgeleitet werden. Einzelne Moleküle haben keinen Aggregatzustand, sind Aggregatzustände wie “flüssig” deshalb neuartige Qualitäten, die nicht schon in den Eigenschaften der Moleküle enthalten sind? Oder ergeben sich diese Qualitäten nicht vielmehr aus den Wechselwirkungen der Moleküle zueinander, auf Grund ihrer Eigenschaften?

    Das Konzept der Emergenz ist naturwissenschaftlich nutzlos, denn die Naturwissenschaft will den Phänomenen auf den Grund gehen und kann nicht willkürlich aufhören, wo die vermeintliche Emergenz beginnt. Die Physiker untersuchen gerade die zunächst unerklärlichen Phänomene. Sie begnügen sich nicht damit, dass Wasser flüssig ist, sondern versuchen genau dies durch zu Grunde liegende Eigenschaften der Wassermoleküle bzw. der Atome zu erklären.

    Für die Beschreibung der Natur auf höheren Strukturebenen kann man mit Emergenz operieren, wo es nicht auf elementare Erklärungen ankommt, also besonders in den Bereichen der Lebenswissenschaften. Man sollte aber genau wissen, worüber man dabei redet, sonst driftet man leicht in Metaphysik und phantasievolle Pseudoerklärungen ab.

    • The emergence of solitons of the korteweg-de vries equation from arbitrary initial conditions zeigt, dass der Begriff Emergenz mindestens im umgangssprachlichen Gebrauch auch in der Physik Verwendung findet.
      Wichtig und unverzichtbar wird der Begriff Emergenz aber erst wenn das emergente Phänomen unvorhersehbar und nicht reduzierbar ist, solange man nur die beteiligten Komponenten betrachtet. Heute anerkennen selbst viele Physiker, dass es oft mehr Sinn macht die empirisch geltenden Gesetze in einem komplexen System zu finden anstatt bis auf die Ebene von Atomen und Elektronen hinunterzubohren. Siehe dazu etwa folgenden arxiv-Artikel ( https://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/1604/1604.06845.pdf ) wo man liest:
      Die Festkörperphysik beschäftigt sich mit Problemen, bei denen die Anzahl der Bestandteilteilchen weit größer ist, als der Verstand mithalten kann. Die inhärenten physischen Beschränkungen des menschlichen Geistes sind fundamental und schränken stark ein, wie wir mit dem Universum interagieren und von ihm lernen können.
      Dies stellt Herausforderungen für die Entwicklung wissenschaftlicher Erklärungen dar, die durch emergente Erzählungen, Konzepte und Argumente eine nicht-triviale Beziehung zur zugrunde liegenden Mikrophysik haben.

    • The emergence of solitons of the korteweg-de vries equation from arbitrary initial conditions zeigt, dass der Begriff Emergenz mindestens im umgangssprachlichen Gebrauch auch in der Physik Verwendung findet.
      Wichtig und unverzichtbar wird der Begriff Emergenz aber erst wenn das emergente Phänomen unvorhersehbar und nicht reduzierbar ist, solange man nur die beteiligten Komponenten betrachtet. Heute anerkennen aber selbst viele Physiker, dass es oft mehr Sinn macht die empirisch geltenden Gesetze in einem komplexen System zu finden anstatt bis auf die Ebene von Atomen und Elektronen hinunterzubohren. Siehe dazu etwa der arxiv-Artikel Emergence, causation and storytelling: condensed matter physics and the limitations of the human mind wo man liest:
      Die Festkörperphysik beschäftigt sich mit Problemen, bei denen die Anzahl der Bestandteilteilchen weit größer ist, als dass der Verstand mithalten kann. Die inhärenten physischen Beschränkungen des menschlichen Geistes sind fundamental und schränken stark ein, wie wir mit dem Universum interagieren und von ihm lernen können.
      Dies stellt Herausforderungen für die Entwicklung wissenschaftlicher Erklärungen dar, die durch emergente Erzählungen, Konzepte und Argumente eine nicht-triviale Beziehung zur zugrunde liegenden Mikrophysik haben.

    • (Minimal-)Modelle basierend auf emergenten Phänomenen sind oft die einzige Möglichkeit Festkörperphänomene anzugehen wie das Video Emergence and Minimal Models in Condensed Matter Physics and Biology zeigt. Hier die Kurzzusammenfassung von google translate (inzwischen recht gut) übersetzt:
      Unsere Fähigkeit, die physikalische Welt zu verstehen, hängt weitgehend von der Existenz von emergenten Eigenschaften ab, und die Trennung von Skalen, die effektive Feldtheoriebeschreibungen erlaubt, nützlich zu sein. Ausnutzung dieser Tatsache können wir minimale Modelle konstruieren, die eine effiziente Berechnung der gewünschten Mengen ermöglichen, solange sie unempfindlich gegenüber mikroskopischen Details sind. Das funktioniert in vielen Fällen in der Physik, und ich gebe einige Beispiele aus der Kinetik von Phasenübergängen, die durch topologische Defekte vermittelt werden. In anderen Bereichen wie der Biologie ist es nicht so klar, dass diese Konzepte nützlich sind, und ich werde diskutieren, inwieweit Emergenz und effektive Theorien nützlich sein könnten.

    • Emergenz ist kein Ersatz für eine Erklärung. Vielmehr bilden emergente Zustände die Basis für eine neue, höhere Interaktions- und Erklärungsebene. Der Artikel Defining emergence in physics definiert Emergenz in der Physik folgendermassen: Ein emergentes Verhalten eines physikalischen Systems ist ein qualitative Eigenschaft, die nur auftaucht, wenn die Zahl der mikroskopischen Konstituenten gegen unendlich geht. Mit dieser Definition ist die gesamte Hydrodynamik mit Phänomenen wie laminarer und turbulenter Strömung oder Schockwellen ein emergentes Phänomen.

    • Thermodynamik oder Hydrodynamik kann man auch betreiben ohne dass man auf die Mikroebene oder gar die Ebene der Atome gehen muss. Vielmehr benutzt man in der Thermodynamik emergente Phänomene und Messgrössen wie die Temperatur oder die Wärmemenge und kann basierend auf ihnen Theorie betreiben.
      Dies zeigt folgendes: Ganze Physikgebiete arbeiten mit emergenten Grössen und bauen von dort auf neue Erkenntnisse ohne dass die Notewendigkeit besteht bis auf Quantentebene hinunterzusteigen.

    • Der Beitrag Reduktionismus von Josef Honerkamp zeigt gut, dass es keinen Gegensatz zwischen Reduktionismus und Emergenz gibt. Die Thermodynamik beispielsweise arbeitet mit emergenten Grössen wie Temperatur und Wärmemenge ist andererseits aber auch erklärt worden über Mikrozustände, die mit der statistischen Mechanik beschrieben werden. Josef Honerkamp schreibt dazu:
      Die Thermodynamik lässt sich in diesem Sinne also auf die Statistische Mechanik reduzieren, aber kein Physiker käme nun darauf, die Bedeutung der Thermodynamik geringer zu achten, und würde bei Prozessen, bei denen Gase oder Flüssigkeiten beteiligt sind, die Statistische Mechanik bemühen. Nein, man benutzt dabei natürlich die Begriffe und Konzepte der Thermodynamik, weil sich mit ihnen das Verhalten des Gases viel angemessener beschreiben lässt. Dass man verstanden hat, wie es zu diesen kommt und wie sie von den Eigenschaften der Bestandteile des Gases abhängen, steht auf einem ganz anderen Blatt.

  10. Vielleicht sollten die Physiker sich mit den Neurowissenschaften kurzschliessen. Die Theorien um das schwarze Loch haben ähnlichkeiten mit den Abläufen und Bedingungen eines degenerierenden Gehirns. Was ich seltsam, aber in der Ursache dieser Ähnlichkeiten plausibel finde.

    Ein ganzes Universum in einem Gehirn…philosophisch gesprochen. Aber gar nicht “philosophisch” ist, wenn der Ereignishorizont des Bewusstseins (aka Demenz) überschritten wurde.

  11. @Martin Holzherr;
    Offenbar haben Sie ein anderes Verständnis von Emergenz. Darin sehe ich hauptsächlich nur Wortakrobatik, denn dass Phänomene der Welt auf verschiedene Arten, auf unterschiedlichen Strukturebenen oder in unterschiedlicher Auflösung beschrieben werden können, das ist ein alter Hut. Mit wirklicher oder strenger Emergenz hat das nichts zu tun. Der Weg in die Esoterik ist da nicht weit und es sind gerade die Esoteriker, die den Begriff der Emergenz immer wieder für ihre Zwecke missbrauchen. Letztlich sind alle Erscheinungen der Welt emergent, denn unsere Erkenntnisfähigkeit hat Grenzen. Die elementaren “Dinge-an-sich” sind außerhalb unserer Erkenntnisfähigkeit.

    In den letzten Tagen wurde der LHC nach einem Upgrade wieder in Betrieb genommen. Phänomene, die bisher als unerklärbar und ggf. also als emergent gelten mussten, könnten jetzt aufgeklärt werden. So war es immer in der Wissenschaft. Neue Instrumente erweitern den Horizont der Erkenntnis in den Wissenschaften. Die Erkenntnis von Komplexität beinhaltet bereits die Zerlegung der Komplexität in Komponenten! Deshalb ist die Emergenz in sich unlogisch, indem sie sich selber widerlegt.

    Natürlich kann man in der Umgangssprache den Begriff der Emergenz verwenden für Phänomene, die noch unerklärbar sind oder unerklärbar scheinen. Man darf aber Begriffe nicht mit der Wirklichkeit identifizieren und die Wirklichkeit nicht den Begriffen unterordnen. Allzu oft werden so abstrakte Begriffe wie die Emergenz so gedeutet, dass sie in das vorhandene Weltbild passen.

    • Gerade das Wissen darum, wie etwas zustandekommt macht den Begriff Emergenz sinnvoll. Die Messgrösse Temperatur beispielsweise ist wohl älter als das Wissen welchen Zusammenhang es zwischen der lokalen Temperatur und der kinetischen Energie der lokal “vibrierenden” Teilchen gibt. Wer bei einem Phänomen von Emergenz spricht, meint damit, dass sich das Phänomen durch ein kollektives Verhalten der beteiligten Komponenten erklären lässt. Wer beispielsweise Lebenserscheinungen für emergent erklärt ist mit Sicherheit kein Vitalist. Ich verstehe deshalb nicht, wie man auf die Idee kommen kann, Emergenz habe etwas mit Esoterik zu tun. Das Gegenteil trifft zu.

    • Meine Internetsuche nach einer Verbindung von Esoterik und Emergenz blieb erfolglos. Mir ist deshalb unklar wie sie auf die Behauptung kommen Der Weg in die Esoterik ist da nicht weit und es sind gerade die Esoteriker, die den Begriff der Emergenz immer wieder für ihre Zwecke missbrauchen. Falls es diese Esoteriker gibt, habe ich noch nie von ihnen gehört.
      Wenn schon beschäftigen sich Esoteriker mit dem Reduktionismus – und lehnen ihn meistens ab. Eine esoterisch angelegte Web-Site ( Psyon), die ich gefunden habe, macht aber ein paar gute Bemerkungen zum Verhältnis von Reduktion und Emergenz:Emergenz ist eigentlich die Selbstvernichtung des (vollständigen) Reduktionismus. Wenn nämlich etwas emergiert, ist es offensichtlich durch Reduktion erst einmal verloren gegangen. D.h. die Bestimmung der Welt durch Reduktion ist mindestens insoweit unvollständig, als dabei eben etwas verloren geht. Wenn wir also annehmen, dass die Betrachtung der unteren — reduzierten — Ebene alle kausalen Zusammenhänge für die obere liefert, dann darf es keine Emergenz geben. Gibt es sie doch, ist die reduktionistische Kausalität unzureichend und es müssen Faktoren existieren, die entweder auf derselben Ebene liegen wie das zu Beschreibende oder sogar auf einer höheren.
      Das stimmt sogar. Zudem: Fanatische Reduktionisten lehnen typischerweise Emergenz ab und sagen dann etwa, Leben sei nichts anderes als Chemie und Bewusstsein ein Rauschen von Neuronen. Doch wirklich ernst genommen werden totale Reduktionisten nur von Wenigen.

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