Über das Entstehen physikalischer Theorien

Die Natur der Naturwissenschaft

In den viel beachteten Büchern "Der große Entwurf" von Stephen Hawking und "Zurück vor den Urknall" von Martin Bojowald wird von neuen physikalischen Theorien berichtet, die ein von den Physikern lange verfolgtes Ziel erreicht zu haben scheinen, die Vereinigung der Gravitationstheorie mit der Quantentheorie.  Diese Quantengravitationstheorien sind im einzelnen natürlich nur denen zugänglich, die lange Erfahrung und Übung in dem mathematischen Formalismus von Gravitations- und Quantentheorien haben. Die Aussagen dieser Theorien über die Entstehung unseres Universums, ganz besonders die von Stephen Hawking, haben in der interessierten Öffentlichkeit aber zu heftigen Diskussionen geführt, insbesondere deshalb, weil in den meisten Köpfen immer noch die Vorstellung herrscht, dass solche Aussagen eher theologischer Natur sein müssten. Nun, die Frage, was eine Naturwissenschaft kann und was nicht, will ich hier nicht erörtern; diese Frage kann ja auch eigentlich nur rückblickend beantwortet werden. Schauen wir lieber darauf, wie in der Geschichte der Physik andere Theorien entstanden sind, wie ihr Schicksal ausgesehen hat und noch heute aussieht, und was wir daraus für die erste Einschätzung der Aussagen dieser neuen Quantengravitationstheorien lernen.
Ich denke hier an die Theorien, die dem interessierten Laien aus allerlei Sachbüchern bekannt sein können, die Theorie der Bewegungen, auch Klassische Mechanik genannt, die Elektrodynamik, die Relativitätstheorien und die Quantenmechanik. Das sind alles Theorien, die schon ein gewisses Alter haben, die älteste ist mehr als 300 Jahre, die jüngste dieser ist etwa 80 Jahre alt. Genügend Physiker und andere Denker haben sich schon über diese gebeugt, sie studiert, geprüft, interpretiert, für richtig und nützlich gefunden.  
Die zwei Ebenen der Theorien
Zunächst ist es sehr hilfreich, wenn man sich klar macht, dass man bei solchen Theorien immer zwei Ebenen unterscheiden kann: die mathematische Ebene der Gleichungen und Berechnungen sowie die Ebene der Interpretation der Begriffe und der Ergebnisse.  
Die erste Ebene, die der Gleichungen, ist in der Sprache der Physik, der Mathematik, formuliert, und ist daher den Laien nicht zugänglich.  Das ist ein Grund für die Schwierigkeit, die alle jene mit diesen Theorien haben, welche nicht in jungen Jahren in der Physik oder Mathematik intellektuell sozialisiert worden sind.  Dabei stellt diese Ebene gerade den harten Kern der Theorien dar. Auf dieser Ebene haben diese in all den Jahren ihrer Existenz keinen wesentlichen Wandel erfahren, z.B. leitet man heute die Aussage, dass sich die Planeten auf Ellipsen um die Sonne bewegen, noch genauso wie Newton aus den Prinzipien der Klassischen Mechanik und dem Gravitationsgesetz ab.  Auf dieser Ebene spielt sich auch die Prüfung der Theorien ab, auf dieser wird der Gültigkeitsbereich ausgelotet, können Anfechtungen durch unerwartete oder noch unerklärliche Beobachtungen bemerkt und diskutiert werden. Auf dieser Ebene wird auch letztlich entschieden, ob eine Theorie weiterhin akzeptiert wird oder einer konkurrierenden Platz machen muss. Das wesentliche für eine Theorie ist also Sache der Experten, bleibt für die Außenstehenden verborgen. Diese können sich nur an den "Früchten" orientieren.  
Diese Früchte sind einmal technischer Natur, die nimmt man mit wie einen "Sack voll Nüsse", unabhängig von jeder Ideologie, Religion oder Wertschätzung der Wissenschaften.  Rechner, Mobiltelefone, GPS-Systeme, Flugzeuge und Videoaufzeichnungen nutzt man in Terrornetzwerken, Diktaturen, im Vatikan wie in Demokratien.  Die anderen Früchte, die sich aus der Interpretation und der Bedeutung der Begriffe und Ergebnisse, ja aus der Tatsache ergeben, dass solche Theorien überhaupt so erfolgreich sein können, greifen in unser Weltbild ein und hier scheiden sich die Geister. Denn alle diese Theorien gaben und geben zum Teil heute noch Anlass zu Diskussionen über das, was die Begriffe in diesen Theorien, ja, was die Theorien selbst eigentlich bedeuten – was im Hinblick auf die Natur, und was im Hinblick auf uns.  
Auf dieser Ebene können also auch die Laien und nicht unmittelbar beteiligten Fachwissenschaftler zu Wort kommen. Sie haben natürlich ein Handikap; wie die Leute im Platonschen Höhlengleichnis sehen sie nur die Schemen der Theorie, können nie zurückgreifen auf die Gleichungen, können nicht beurteilen, wie gut diese denn die Phänomene wirklich beschreiben und was in dem, was die Experten über die Theorie verlautbaren, schon Interpretation ist. Dennoch ist ihr Abstand zu der ersten Ebene vielleicht nützlich genug, um unangenehme Fragen zu stellen, die die Experten zu intensiveren Nachdenken über Bedeutung und Folgen zwingt.  Aber werden wir konkret: Wie war das bei der Entstehung und der Entwicklung der oben genannten Theorien?
Leben mit Schwierigkeiten auf der begrifflichen Ebene
Betrachten wir als ein Beispiel  die Entstehung der Theorie der Bewegungen.  Newton hat dafür die Prinzipien formuliert, das zentrale Prinzip ist: Kräfte bewirken Bewegungsänderungen, also Beschleunigungen, und er gab genau an, in welchem Maße das geschieht (die Masse des bewegten Körpers spielt dabei eine Rolle).  Hier führte er also den Begriff einer Kraft ein, und zwar einer, die über große Distanzen ohne Zeitverzug und ohne irgendeine Vermittlung wirkt. Er tat das, um die Bewegung des Mondes um die Erde zu erklären, und für ihn war diese Kraft sogar eine universelle Gravitationskraft, die auch den Fall eines Apfels auf die Erde wie die Bewegung der Planeten um die Sonne bewirkt.  Das war ein großer gedanklicher Schritt. Man konnte sich nämlich damals die Wechselwirkung zwischen Körpern nur über ihre Berührung vorstellen. Descartes hatte sich deshalb intensiv mit dem Stoß von Körpern an einander beschäftigt und stellte sich die Bewegung der Sonne so vor, dass diese ein bestimmtes Stoffgemisch um sich herum wirbelt, das die Erde dabei mit sich nimmt. Ebenso würde ein um die Erde wirbelnder Stoff den Mond mitnehmen.  Es leuchtet ein, dass man für einen solchen komplexen Vorgang damals kein mathematisches Modell entwerfen konnte. Die Vorstellung von einer Kraft, die einfach – wie auch immer – über die Ferne wirkt, ist dafür viel geeigneter.  Aber wie soll diese Wirkung geschehen?  Newtons Zeitgenossen wie Leibniz und Huygens kritisierten die Einführung einer solchen Kraft somit auch als Rückfall in einen Okkultismus, und Newton war es auch nie wohl bei dieser Vorstellung; er gestand, es sei eigentlich eine "Absurdität", kein Mensch, der eine in philosophischen Dingen geschulte Denkfähigkeit habe, könne  sich dieser Vorstellung jemals anschließen.  Aber – Newton hatte damit auf der ersten Ebene, der Ebene der mathematischen Gleichungen und Berechnungen unerhörten Erfolg. Er konnte damit aus seinen Bewegungsgleichungen die drei Keplerschen Gesetze ableiten, insbesondere also auch, dass die Planeten auf Ellipsen um die Sonne laufen.  Und dieses Vorgehen wurde zum Vorbild für alle Berechnungen und Erklärungen von Bewegungen. Die Klassische  Mechanik, wie wir heute dieses Gebiet der Physik nennen, war am Ende des 18. Jahrhunderts und bis weit in das 19. Jahrhundert das einzige Beispiel für das, was man heute eine exakte Naturwissenschaft nennt.
Man hatte also großen Erfolg, obwohl man eigentlich an zentraler Stelle einen "absurden" Begriff benutzte.  Wie kam man damit zurecht?  Der Erfolg auf der Ebene der Gleichungen und Berechnungen war so überzeugend, dass man sich bald nicht mehr um diese Merkwürdigkeit des Kraftbegriffes kümmerte, ja, man gewöhnte sich sogar so gut daran, dass viele sich später, als man eine Theorie für die elektrischen und magnetischen Phänomene entwickeln wollte, nur schwer etwas anderes als eine ähnliche Fernwirkungstheorie vorstellen konnten.  Aber eine solche Theorie für elektromagnetische Phänomene unterlag dann schließlich einer ganz anderen, der von J.C. Maxwell konzipierten Theorie. Darin wurde wieder ein Begriff, nämlich der eines elektromagnetischen Feldes, eingeführt, der zu großen Diskussionen Anlass gab und viel Widerstand provozierte. Aber wieder war es der Erfolg auf der Ebene der Gleichungen und Berechnungen, der schließlich zur Anerkennung dieses Feldbegriffes und der Maxwellschen Theorie führte, und heute kann man sich nur wundern, wie selbstverständlich  diese Vorstellung von einem  unsichtbaren wirkenden Feld, sogar bis in die hintersten Ecken der Esoterik, genutzt und geliebt wird.
Der Feldbegriff führte später übrigens auch zur Aufhebung des Dilemmas bei dem Kraftbegriff.  In einer Feldtheorie für die Gravitation, der Allgemeinen Relativitätstheorie von Albert Einstein, tritt das Gravitationsfeld als Vermittler der Anziehungskraft zwischen materiellen Körpern auf.  Auf der Ebene der Gleichungen ändert sich dabei nichts. Man hatte also über mehr als 200 Jahre mit einer Theorie der Bewegung große Erfolge gefeiert, aber begrifflich mit einem absurden Provisorium gelebt,  und viele haben dieses nicht einmal registriert.  
Man könnte weitere Beispiele aus der Geschichte der Physik anführen. Lange gab es z.B. zwei konkurrierende Theorien darüber, was denn eigentlich Wärme ist, ob sie ein Maß für  das Vorhandensein einer Substanz oder für die ungeordnete Bewegung "der nicht wahrnehmbaren Teile des Objektes“ ist.  Als Hermann von Helmholtz im Jahre 1847 mit dem neu formulierten Energiebegriff ganz konkrete Berechnungen anstellen und dabei quantitativ die Erhaltung der Energie in vielen Umwandlungen nachweisen konnte, wurde in diesem Rahmen auch eindeutig klar, dass Wärme eine Form der Bewegung  der "nicht wahrnehmbaren Teile des Objektes" ist.  Auch hier ist also auf der Ebene der Gleichungen über das Schicksal zweier konkurrierender Theorien entschieden worden.  Dabei wusste man noch gar nicht, was denn diese "nicht wahrnehmbaren Teile" eigentlich sind.  Und außerdem gab es noch einen ganz bedeutsamen Effekt, den man mit dieser Vorstellung gar nicht erklären konnte, nämlich die Wärmestrahlung, z.B.  der Sonne.  Heute wissen wir, dass diese eine elektromagnetische Strahlung ist, und dass man damals, vor der Entdeckung der elektromagnetischen Wellen, gar keine Chance gehabt hätte, die Wärmestrahlung richtig zu deuten.  
Von dem Vorrang der Ebene der Gleichungen und Berechnungen bei der Entwicklung der Quantenmechanik will ich hier gar nicht reden, die Diskussion um deren Interpretation hält ja noch an, und ein Eingehen auf diese Geschichte würde den Rahmen dieses Artikels sprengen. In meinem Buch "Die Entdeckung des Unvorstellbaren" habe ich das aber ausführlich dargestellt.
So war es immer: Die Theorien werden auf  Ebene der Gleichungen "verhandelt".  Die begriffliche Ebene ist  immer nachrangig und muss sich "fügen".  Dabei gibt es immer heftige Diskussionen und lautes weltanschauliches Gezeter.
Lehren für die Einschätzung neuer Theorien
Physikalische Theorien sind also nie ganz fertig, schon gar nicht bei ihrer Geburt.  Alle hatten zunächst ihre Kinderkrankheiten, die nahm man aber in Kauf, wenn sie sich auf dem Felde der experimentellen Überprüfungen bewährten und überlebten.  So muss man sich auf jeden Fall nicht abschrecken lassen von begrifflichen Schwierigkeiten.  Viel wichtiger ist zunächst das Schicksal der Theorien auf der Ebene der Gleichungen.  Und da sticht einem erst einmal der vorläufige Charakter dieser Entwürfe ins Auge:  Bisher haben wir noch keine Berichte über die Überprüfung dieser Theorien durch Beobachtungen gesehen.  Doch das kann man ihnen nicht vorwerfen, dafür sind sie zu neu und es muss ja auch erst verstanden werden, welche Aspekte der Theorien überhaupt einer Überprüfung zugänglich sind. Das ist in diesem Falle, wo man nur auf Beobachtungen angewiesen ist, besonders schwierig.
Interessant wäre es aber, etwas über  das Verhältnis der konkurrierenden Theorien zu einander zu erfahren.  Ein Vergleich insbesondere hinsichtlich ihrer begrifflichen Fragen und Probleme, die sie jeweils aufwerfen, kann aber nur von den aktiv auf diesem Gebiet arbeitenden theoretischen Physikern geleistet werden.  Wir können da nur abwarten und so gut, wie man es eben kann, zuschauen.  
Das einzige, was also bisher auf dieser Ebene der Begriffe für uns "abfällt", ist nun die explizite Aussage von Stephen Hawking, dass in der von ihm vorgestellten Quantengravitationstheorie, der so genannten M-Theorie, für die Entstehung "unseres" Universums kein übernatürlicher Akteur benötigt wird.  Was kann man denn sonst erwarten?  Dass Hawking aus diesem Anlass ausbreitet, in welchem Maße Religionen und Mythen stets natürliche Phänomene durch Eingriffe übernatürlicher  Akteure zu deuten versuchten und davon auch heute nicht lassen können, sei ihm unbenommen.  Durch die ständige Vergrößerung des Gültigkeitsbereichs der physikalischen Theorien gab es für einen übernatürlichen Akteur schon immer weniger zu tun, nun sieht Hawking mit dieser Theorie den Schlusspunkt gesetzt. Das  "erste Bewegen" wird nicht einmal mehr von ihm erwartet, auch eine letzte Notwendigkeit  für diese Art von Gottesglauben gibt es nicht.  
Andererseits haben weitsichtige Theologen ja längst akzeptiert, dass man in der Bibel nur die Vorstellungen der damaligen Zeit finden kann;  das gilt insbesondere für die Aussagen über Prozesse in der Natur.  Hawking und anderen Kritikern der Religion aber Naivität in religiösen Fragen vorzuwerfen, weil sie das nicht berücksichtigen,  kommt mir immer pharisäerhaft  und unfair gegenüber der eigenen Glaubensgemeinschaft  vor.  Wie sieht denn die Praxis aus?  Predigten und liturgische Texte verkünden doch immer noch zu häufig ein Weltbild aus längst vergangenen Jahrhunderten.  Und man schaue nur mal in einen Katechismus der katholischen Kirche.  
Ich sehe in dem Szenarium, das Hawking mit seinem Buch wiederum in der Öffentlichkeit ausbreitet, im wesentlichen ein Heilmittel gegen die unsäglichen Diskussionen, die sich dann ergeben, wenn man fälschlicherweise den Urknall  als Schöpfung der Welt interpretiert.  In der M-Theorie ist unser Urknall einer von vielen, wirklich ein "Allerweltsereignis" vor dem Hintergrund eines zeitlosen Ur-Universums.  Auch in der Schleifengravitationstheorie gibt es keinen wirklichen Anfang und kein Ende. So etwas ist übrigens auch nichts Neues, für Buddhisten ist das sogar selbstverständlich.  
Ob das Szenarium der M-Theorie lange überleben wird, weiß man nicht.  Wir werden sicher noch von anderen Vorschlägen hören.  An der Front der Forschung gibt es immer ungewöhnliche Hypothesen, und an dieser ganz besonders.  

Josef Honerkamp

Veröffentlicht von

Josef Honerkamp war mehr als 30 Jahre als Professor für Theoretische Physik tätig, zunächst an der Universität Bonn, dann viele Jahre an der Universität Freiburg. Er hat er auf den Gebieten Quantenfeldtheorie, Statistische Mechanik und Stochastische Dynamische Systeme gearbeitet und ist Autor mehrerer Lehr- und Sachbücher. Nach seiner Emeritierung im Jahre 2006 möchte er sich noch mehr dem interdisziplinären Gespräch widmen. Er interessiert sich insbesondere für das jeweilige Selbstverständnis einer Wissenschaft, für ihre Methoden sowie für ihre grundsätzlichen Ausgangspunkte und Fragestellungen und kann berichten, zu welchen Ansichten ein Physiker angesichts der Entwicklung seines Faches gelangt. Insgesamt versteht er sich heute als Physiker und "wirklich freier Schriftsteller".

15 Kommentare

  1. Theorieartefakte und Realität

    Eine Theorie erklärt immer nur einen Teil oder Aspekt der Welt und oft entsteht eine physikalische Theorie durch Herumspielen mit Gleichungen und anderen mathematischen Konstrukten und gewinnt zuerst darum an Überzeugungskraft, weil sie auf mathematischer Ebene funktioniert und gleichzeitig Beobachtungen nicht widerspricht. Newton war sich von Beginn weg bewusst, dass die Fernwirkung der Gravitation intellektuell nicht befriedigend war, fand sich aber mit dieser Unschönheit ab angesichts der Erklärungskraft seines Gravitationsgesetztes.

    Aus Theorien ergeben sich hin und wieder auch Erklärungen, die sich einer direkten Beobachtung entziehen – und das möglicherweise für immer. Wenn die M-Theorie multiple Universen zulässt und unser Universum als eines mit speziell gesetzten Parametern innerhalb einer ganzen Landschaft von möglichen Universen erscheint, dann ändert das unser Weltbild. Doch diese anderen möglichen Universen gehören nicht zur materiellen Realität in der wir leben, denn wir können niemals mit ihnen interagieren.
    Ein anderes Beispiel sind die Aufspaltungen der Wirklichkeit im Rahmen der Dekohärenz von Quantensystemen, wie sie von Everett in seiner Viele-Welten-Theorie angenommen wird. Auch das ist eine schlüssige Erklärung innerhalb eines theoretischen Rahmens, der jedoch in unserer materiellen Realität ohne Bedeutung ist, denn die verschiedenen Welten, die sich durch Quantenereignisse auseinanderentwickeln, können nicht zueinander in Kontakt treten.

    Wie soll man mit solchen theoretischen Artefakten umgehen? Ich denke man sollte theoretischen Artefakten, die nie beobachtbar sind und unser Leben nicht einmal beeinflussen können, keine zu grosse Bedeutung zumessen. Die Viele-Welten-Erklärung der Quantentheorie halte ich sogar für unfruchtbar. Sie erklärt etwas, bringt einen aber nicht weiter, denn was soll darauf aufbauen? Fruchtbare Theorien dagegen erklären etwas reales und bieten die Chance für eine Verallgemeinerung. Der Begriff des elektromagnetischen Feldes kann einen allgemeinen Feldbegriff nahelegen. Die Evolutionstheorie der Biologie kann zur Theorie des universellen Darwinismus ausgebaut werden und verliert damit die Beschränkung auf die Biologie.

    Wenn in diesem Artikel über Phänomene in der Theoriebildung berichtet wird, so ist dies auch ein Beispiel dafür, dass wir Menschen uns nicht nur mit der Realität und ihrer Beschreibung beschäftigen, sondern dass wir uns auch mit der Beschreibung und dem Verständnis von Beschreibungen (Theorien) und mit vielem mehr beschäftigen, was nur den Charakter einer Sekundärexistenz hat und trotzdem eine Art Eigenleben entwickelt.

    Vielleicht gibt es dieses endlos geflochtene Band, das der fraktalen
    Grundstruktur unseres Universums und seine selbstähnlichen Prozessen und Unterprozessen entspringt.

  2. @Martin Holzherr

    “…denn die verschiedenen Welten, die sich durch Quantenereignisse auseinanderentwickeln, können nicht zueinander in Kontakt treten.”

    Woher wissen sie das?
    Warum sollte es keine Metaebene geben, von der aus Informationen zwischen einzelnen Universen übertragbar sind?
    Ist Ihnen etwa LOST entgangen?

  3. Einwand zur Mathematik

    Bis auf Ihre Aussage zur Mathematik hat mir Ihr neuer Beitrag sehr gefallen. Mein Einwand: Natürlich ist Mathematik auch für den interessierten Laien zugänglich, zumal man sich auf die einen interessierenden Teile physikalischer Theorien beschränken kann. Beispielsweise hatte ich mir nach der Freizeitlektüre der üblichen Lehrbücher erstmal nur Bjorken/Drells’s Bücher zur relativ. Quantenmechanik und Quantenfeldtheorie durchgearbeitet, ergänzt durch andere kurze surveys oder stark vereinfachte Kurzdarstellungen, wie Baez’ Buch oder Nash’s (etwas arg knappes) “Topology and Quantum Field Theory”. Aber ich denke, auch als Laie kann man dazu einen guten Zugang finden, wenn man will. Wenn ich mich für M-Theorie interessieren würde, würde ich z.B. erstmal B. Hatfield’s “Quantum Field Theory of Point Particles and Strings” wieder durchlesen (das wurde ja auch von Witten dafür empfohlen) und dann schauen, wo man weitermacht, ich kann mir nicht vorstellen, dass es dazu keine weiterführenden guten surveys usw. gibt. Sicher ist das für einen Laien keine einfache Lektüre, aber man hat auch mehr von solchen Büchern als von Romanen, und es wäre ja auch unsinnig, sich für physik. Theorien zu interessieren, wenn man sie sich dann nicht auch anschaut. Zum Verständnis, was es mit Theorien in der Physik grundsätzlich auf sich hat, braucht man m.E. aber gar nicht solche modernen Texte und Theorien zu lesen, denn die Grundstruktur physik. Theorienbildung sieht man auch an den sehr hübschen klassischen Theorien, wie der klassischen Mechanik oder kl. Elektrodynamik. Dazu gibt es sogar besonders gut lesbare und schön geschriebene, ältere Bücher. Becker’s “Theorie der Wärme” ist so ein schönes altes (und relativ kurzes) Buch, auf Goldsteins “Klassische Mechanik” hatte ich ja schon öfters in Kommentaren hingewiesen.

  4. Über das Entstehen physikalischer Theorien

    Theorien können helfen, das Universum zu erklären, sie können das aber auch massiv behindern.
    Das Universum würde nicht existieren, müsste es sich nach dem mathematischen Formalismus von Theorien richten. Stephen Hawking und Martin Bojowald mögen bei der Theoriefindung ihr ganzes mathematisches Genie eingesetzt haben, nur nützt ihnen das nichts, wenn sie ihr Umfeld vorab nicht einer kritischen Beobachtung unterziehen.
    Das Universum funktioniert nach ganz einfachen Prinzipien. Auch die Gravitation kann man ganz einfach quantenphysikalisch erklären und zwar in der Einheit von Masse mit Ihren Eigenschaften Trägheit und Schwere. Man braucht nicht nach komplizierten mathematischen und physikalischen Formeln oder Gleichungen suchen. Es genügt, an erster Stelle zu begreifen, wie es funktioniert. Heute existieren alle Experimentalergebnisse, die dafür notwendig sind.
    Die Gravitationstheorien und die Quantentheorien lassen sich nicht vereinigen. Ein sinnloses Unternehmen. Gravitation funktioniert quantenphysikalisch. Da die Berechnungen der Gravitation oder von Bewegungen nach Newton oder nach der ART richtige Ergebnisse liefern, muss man nach Analogien des Wirkens in der Quantenphysik suchen. Das verhindern wiederum bisher erfolgreich(!) andere Theorien.
    Schade eigentlich. Das Wissen um die Quantenphysik von Masse mit ihren Eigenschaften Trägheit und Schwere ist die Grundvoraussetzung für neue Technologien z. B. die Etablierung einer neuen Generation von Antrieben in der Raumfahrt.
    Joachim Blechle

  5. Ist nicht eine Besonderheit der neuen Theorien (Prae-Urknall, Quantengravitation, Strings, Dunkle Sachen usw.), dass sie nur wenig Beziehung zu unserem realen Leben oder Technik haben und nahezu beliebig angepasst werden können, um neue Messergebnisse zu integrieren? Also Märchenstunden und Schöpfungsgeschichten mit komplizierter Mathe hinterlegt. Die klassischen Bewegungsgesetze, Maxwellschen Gleichungen oder die normale Quantentheorie haben doch eine ganz andere reale Relevanz.

  6. @adenosine M-Theorie=Märchen-Theorie

    Zitat: “neuen Theorien …. Also Märchenstunden und Schöpfungsgeschichten mit komplizierter Mathe hinterlegt.”

    Prima formuliert, das hat was. Was nicht beobachtbar ist und für was man sich nicht einmal ein Experiment ausdenken kann, das ist und bleibt Spekulation.

    Doch Spekulationen haben in der Physik oft weitergeholfen. Ein einfaches Beispiel ist die Postulation eines “unsichtbaren Teilchens” beim Betazerfall, welches viel später als Neutrino nachgewiesen wurde. Ein viel spekatuläreres Beispiel ist die Theorie von den Quarks für die es im Moment der Erfindung kaum Anhaltspunkte gab.

    Wenn die String-Theorie allerdings den postulierten Strings Ausdehnungen in der Grössenordnung der Planck-Länge gibt, so dass sie milliardenfach kleiner sind als Protonen, dann muss man sich fragen, ob sich so etwas je nachweisen lässt. Falls nicht, muss man sich fragen, ob es sich überhaupt lohnt sich damit zu beschäftigen. Etwas was keine Verkörperung in der Realität hat bleibt nämlich letztlich unfruchtbar. Oder täusche ich mich da?

  7. @T.

    Vielen Dank, aber ich muss gestehen, solche Laien, wie Sie sie schildern, sind mir noch nie begegnet. Die müssten eine ganz besondere Begabung für Mathematik und Physik haben, so dass sie bald keine Laien mehr sind.

  8. @adenosine & M. Holzherr

    Ich habe Sympathie für Ihre Einschätzung hinsichlich Märchen etc. Aber früher haben die Leute ja auch über die Maxwellsche Theorie und Qunatenmechanik den Kopf geschüttelt. Verzichten will ich aber auch nicht auf die Möglichkeit einer experimentellen Prüfung (irgendwann), sonst ist es reine Naturphilosophie (Sache sehr später Nachsokratiker :-).)

  9. @Honerkamp

    Danke für die Einschätzung, aber ich glaube nicht an das Vorhandensein einer besonderen Begabung, allenfalls an eine gewisse Hartnäckigkeit meinerseits.

    Als mir klar wurde, dass ein Verständniss der Relativitätsth. Gymnasialmathematik erfordert, war ich nicht gerade begeistert, für die Lektüre eines dann angeschafften Analysisbuches reichten die Sommerferien gerade aus. Dabei stellte sich als autodidaktische Hauptschwierigkeit am Anfang die ungewohnte Semantik heraus, z.B. der Umgang mit Definitionen (Ich wunderte mich: “Die Definition zu — ist ok und klar, aber was ist — denn nun wirklich?”). Ebenso wie durch die anschliessende Lektüre eines Analyt. Geom. Buches waren damit bereits die math. Grundvorr. abgearbeitet, zumal die später erforderlichen Teile der Funktionalanalysis hauptsächlich nur die beim Analysislernen erworbenen Konzepte verallgemeinert verwenden. Das die Quantenmechanik komplexe Zahlen verwendet, war eine sehr unangenehme Hürde, im Nachhinein bin ich aber froh, bei der Gelegenheit Funktionentheorie gelernt zu haben. Ohne Nachhilfeanfragen von Studenten hätte ich sicher nicht die für Laien eher uninteressanten Teile der QM (ca. was in A. Messiah’s 2. Band seiner “Quantenmechanik” steht) durchgearbeitet. Das allerdings machte Bjorken/Drell’s ersten Band gut lesbar. Bjorken/Drell’s zweites Buch war im Gegensatz dazu allerdings ein Willensakt nach dem Motto “Wenn schon, denn schon”. Sehr große und schwierige Teile der th. Physik wurden dabei umschifft, so daß man das sicher nicht mit einer professionellen Kentniss verwechseln kann. Danach wanderte mein Interesse zur Mathematik, auch weil ich die bisherigen Ansätze zu einer Quantengravitation durchweg als konzeptionell defizient erlebe (was aber keine Kritik sein soll, denn es gibt vor theoretischen Durchbrüchen meistens eine Phase mit zahlreichen interessant scheinenden, aber verfehlten, Theorieansätzen, sozusagen “Brainstormingphasen der Physikgeschichte”). Erst kürzlich began ich mich wieder für Physik zu interessieren, weil Ideen aus der Quantenfeldtheorie auf vielfältigen Wegen in der Mathematik sehr produktiv und als Grundkonzepte wieder aufgenommen werden.

    Bei der Gelegenheit noch ein link zu Musik und Physik(erInnen).

  10. @T.

    Interessantes Phänomen! Gibt es denn bei Ihnen einen Unterschied zwischen “lesen” und “schreiben” bzw. “passiv” und “aktiv”, d.h. Können Sie die Gleichungen zwar sinnvoll interpretieren, fällt Ihnen das selbstständige Formulieren und Umformulieren mathematischer Zusammenhänge aber schwerer?

  11. lesen/schreiben

    Zumindest einen großen Motivationsunterschied zwischen “Lesen” und “Schreiben” gibt es bei mir. Zwar hatte ich anfänglich die in den Texten vorkommenden Übungsaufgaben auch schriftlich ausgearbeitet und mein Nachhilfeunterricht für Studenten betraf vor allem Aufgaben (zu denen man dann ja auch immer ein schnelles feedback erhält), aber nachdem ich merkte, daß das kein Thema für mich ist, hat meine Motivation dafür weitgehend nachgelassen. Schon in der Schule fiel es mir wesentlich leichter, für Andere Lösungen von Aufgaben niederzuschreiben, als für mich. Auch gefällt mir das schreiben mit (La)Tex etc. nicht gerade. Ein für mich wichtiger Punkt ist natürlich die Neugierde und das Interesse, völlig Neues kennenzulernen. Lektüre gerade in der Mathematik und Physik liefert immer neue, überraschende Themen. Schliesslich ist das alles für mich ja nur ein Zeitvertreib, für den ich höchstens ein paar Stunden pro Woche aufbringe. Meine Kontakte zur scientific community bestehen somit hauptsächlich aus in Studentenforen gestellte Fragen, wenn ich anfange, mir eine Orientierung über neue Themen anzueignen, die dann durch Nachfragen bei einzelnen Wissenschaftlern ergänzt werden. (ein weniger gut verlaufendes Bsp.”0″, Bsp.1, Bsp.2, anderes Bsp.:Dies führte zum Erarbeiten davon, das dann zu dem, was die letzte Frage dort berührt (via ‘dimensional regularization’). Nun gib es zwei mögl. Fortsetzungen: dies, weil Connes (durch die Quantenmechanik inspirierte) nichtkommutative Geometrie laut Einleitung die gesuchten Räume mit beliebigen komplexen Zahlen als Dimension liefert, oder Morava’s diverse Artikel, die aber anspruchsvollere Teile der Homotopietheorie verwenden. Zu Letzterer bin ich gerade in Kontakt mit jemandem, der mir (hoffentlich) ein paar gute surveys etc. nennt, denn die Standartliteratur ist ein bisschen umfangreich.)

  12. tertiärer Analphabetismus?

    Nachdem die allgemeine Zugänglichkeit wiss. Themen und Fachliteratur somit m.E. geklärt ist, lohnt es sich vielleicht, Einzelfälle eines Unvermögens, sich in wiss. Themen zu orientieren, anzuschauen. Hier nehme ich zwei Fälle aus meinem Bekanntenkreis im Internet:

    1. X ist ein amerikanischer Ingenieur mit Doktortitel, der an einer Eliteuni Physik und Informatik studiert hat, in der Forschung arbeitet und kürzlich erst ein Fachbuch zu seinem Thema in der Cambridge University Press veröffentlichte. Dann kam X auf die Idee, sich in “reiner Mathematik” umzuschauen, durch das häufige Gerede um Gödels Theoreme insbesondere in der Logik und math. Grundlagenforschung. So hatte er sich nun Russel/Whiteheads “Principia” gekauft, fing an, es mühevoll durchzuarbeiten, bis ihm eines Tages in einem Café der zweite band, in dem ergerade las, gestohlen wurde. Das war’s dann…

    2. Y, ebenfalls promovierter amerik. Ingenieur, der seit dem Studium auch nur in Forschungseinrichtungen arbeitet, wollte die allgemeine Relativitätstheorie verstehen. Also kaufte er sich Wheelers “Gravitation”. Und fing an, mir und Anderen eine Menge Fragen zu mailen, denn schon in den Einleitungsabschnitten kam ihm vieles unklar, kontraintuitiv, mysteriös usw. vor. Schliesslich empfahl ihm eine Bekannte (math. Physikerin), auf Sachs/Wu “General Relativity for Mathematicians” zu wechseln. Das tat er dann leider auch (ich hätte ihm das nicht empfohlen) und seitdem haben wir nichts mehr von ihm gehört…

    Was ist bei X und Y nun schiefgelaufen? Bei X fing der Fehler mit einer völlig abwegigen Literaturauswahl an. Zwar stößt auch jeder Laie sofort bei dem Thema auf den Namen Russels, aber sein und Whiteheads Buch sind wohl das unlesbarste, was man zu dem Thema auffinden kann. Es ist nicht nur deswegen von fast niemandem gelesen worden, es stell auch eine Sackgasse der Enticklung dar und war bei seiner Veröffentlichung schon veraltet. Jede halbwegs brauchbare Übersicht über das Thema und jedes halbwegs moderne Lehrbuch dazu hätte sofort auf wesentlich interessantere, lesbarere und Texte verwiesen. Offenbar hat X es aus Informationen populärwiss. Artikelchen heraus gewählt. X ist an seinem Unvermögen, sich selbstständig in dem Fachgebiet zu orientieren, gescheitert.

    Und Y? Y’s Buchwahl war schon viel besser, Wheelers Buch (ich selbst habe es allerdings nicht gelesen) gilt als gut geschriebene Einführung. Y’s Fragen und Anfangsschwierigkeiten erschienen ihm als unüberwindliche Hürde – schade, denn solche Fragen und Unklarheiten sind gerade das Begleitsymptom später erfolgreichen Lernens. Denn natürlicherweise treten solche Fragen auf, wenn man sich nichttriviale, neue Konzepte erarbeitet. Schliesslich geht der Weg ja vom Unwissen und Unverständnis aus, überwunden hat man das erst am Ende des Weges. Das selbstständige Wundern über einem durch immerhin schon teilweises Erfassen der Themen und Konzepte widersinnig oder unplausibel erscheinendes ist sogar ein positives Symptom, das das Gehirn angefangen hat, zu arbeiten und sich das Thema zu erschliessen. Dabei spielt die Irritation über Einleitungs- und Einführungsabschnitte von Lehrbüchern mit hinein, denn in solchen Textabschnitten ist nur manches präzise und detailliert, anderes aber bewußt vage und per Analogien beschrieben, wiederum anderes sind motivierte Vorwegnahmen erst viel später präzisierter und begründeter Resultate. Zwischen solchen Teilen unterscheiden zu können, ist auch etwas, was man erst anfängt, zu lernen. Y ist also nicht am Text oder der Theorie, auch nicht an seinem Verstand, sondern an der Konfrontation mit seinen Lernprozessen gescheitert. Vielleicht hat er Lernprozesse das erstemal so deutlich bewußt erlebt, bisher waren sie durch extern gesteuertes Lernen in der Uni quasi ins Unterbewußte gedrückt worden.

    Beide Fälle sind nun aber Fälle “tertiären Analphabetismus”. Und m.E. geht es bei der vermeintlichen Unzugänglichkeit von “Wissenschaft” für Laien durchweg darum. Nicht um Wissenschaft. Und eine Populärwissenschaft hätte genau daran anzusetzen: “Lesen” lernen, “Lernen” lernen.

  13. @T.

    Es ist ein großer Unterschied, ob jemand Ingenieur oder z.B. Historiker ist. In allen Reaktionen auf mein Buch hinsichtlich Verständlichkeit hat sich gezeigt, wie bedeutend die Begabung für analytisches Denken ist und vor allem auch Übung in diesem Denken. Deshalb rede ich auch manchmal in diesem Zusammenhang von einer intellektuellen Sozialisation. Die zu den Geisteswissenschaften affinen haben in der Regel gesagt, mein Buch wäre doch sehr schwer zu verstehen, die anderen fanden es angemessen bis gut verständlich. Vermutlich gehören Sie zu den Ingenieuren, haben eine besondere mathematische Begabung und auch sehr viel Energie. Sie sind also kein typischer Laie sondern eher ein Sonderfall.
    Ihrer Beschreibung von einem Lernprozess und von den Hürden, die man dabei zu überwinden hat, stimme ich voll zu. Ich kenne so etwas auch bei meiner Beschäftigung mit der Musiktheorie und dem Komponieren (wobei zudem die Fachbücher dort oft wenig strukturiert sind und eher nur aus dem Nähkästchen plaudern). Ihren Terminus “tertiärer Analphabetismus” finde ich auch treffend, aber der gilt dann für weit mehr als die Hälfte der Menschheit, und ich weiß nicht, ob wir uns Freunde mit einem solchen Begriff machen. Aber “lesen”, “lesen” und “lesen”: Ja.

  14. @Honerkamp

    Nochmals Danke für die freundliche Einschätzung, aber ich bin kein Ingenieur, sondern hatte nach einem Mittelschulabschluß keine weiteren Aus- oder Weiterbildungen erlebt. Allerdings gab ich schon früh Mitschülern Nachhilfeunterricht, was sich dann auf Studenten ausweitete. Meine naturwiss. Interessen entwickelten sich eher typisch aus einer Neugier auf die Relativitätstheorie heraus, waren ansonsten aber auf Geisteswiss. und Geschichte/Philosophie gerichtet, wodrin ich auch oft Studenten Nachhilfeunterricht gegeben habe. Geisteswiss. u.ä. können aber weder was die Ideenfülle, noch was die innere Kohärenz betrifft, mit Naturwiss. mithalten. (Ausserdem gibt es in den Geisteswiss. einfach viel Müll. Manchmal allerdings erlaubt die Gelegenheit eines Nachhilfe suchenden Studenten, sich bei seinem Prof. durch korrekte, aber “so knapp dass es wehtut”-Zusammenfassungen für lange zurückliegende Lektürezumutungen zu revanchieren.) Für einen Autodidakten spielt natürlich auch der Informationsgehalt pro Papiermenge eine große Rolle – man sucht sich eben Gebiete heraus, wo man nicht dauernd riesige Bücherstapel in und aus Bibliotheken schleppen muß. Inzwischen benutze ich wie alle anderen zwar auch das Internet als Bibliotheksersatz, aber zum einen ist viel weniger von dem Wichtigen online verfügbar als die meisten denken, zum anderen halte ich es für zutreffend, dass der Gebrauch des Internets als Informationsmedium die Lektürefähigkeiten reduziert. Leider scheint es kaum präzise Daten dazu zu geben, so daß ich nicht weiß, ob meine Eindrücke dazu die Realität treffen. Ebenso unklar ist mir, ob und wie universitäre Lehre “funktioniert”. Obwohl ich inzwischen auf vielfältige Weise in gutem Kontakt zu Universitäten stehe, auch die im Prinzip hohe Motivation und Intelligenz eines Großteils der Studenten kenne, bin ich mir nicht sicher, ob da nicht doch viel schiefläuft. Beispielsweise scheinen viele Studenten ein narzistisches Verhältnis zu schulischen Bewertungen usw. entwickelt zu haben, das sich an der Uni irgendwann in eine Störung verwandelt, die es ihnen unmöglich macht, “zuzugeben”, etwas nicht sofort verstanden zu haben, etwas nicht gleich “ganz toll” zu finden.

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