Philosophie: Materie ist …?

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Unbefangene Gemüter mögen glauben, Materie wäre einfach das, was man anfassen kann. Solch naive Vorstellungen werden von den heutigen Philosophen der Physik belächelt. Nach Bunge/Mahner ist Materie ein Sammelbegriff für materielle Objekte, die sich ändern, die interagieren. Dazu zählen auch Photonen z.B. in Form von Licht oder Magnetfeldern, die ja nicht so leicht zu greifen sind. Neue Vorstellungen räumen mit dem Greifbaren noch rabiater auf (Bild: ElisaRiva, pixabay).

Die Rede ist von der Quantenfeldtheorie, die so erfolgreich die Phänomene der physikalischen Welt beschreibt. Genauer stellt sich die Frage, "Was sind eigentlich die Entitäten der Quantenfeldtheorie, und sind sie real?". Genau diese Frage stellt der Artikel Sein oder Nichtsein (Physik-Journal 6/16, eine Kurzfassung ist direkt sichtbar, wer sich einloggt kann ein pdf lesen) von dem Physiker Meinhard Kuhlmann. Er spricht von starken Argumenten dafür, dass Teilchen oder Felder nicht ontologisch primär sind. Diese Rolle nehmen aus dieser Sicht Symmetrie-Strukturen ein, wobei aber nicht die Strukturen selbst die fundamentalen Elemente sein sollen, sondern Symmetrien sollen den Weg zu den fundamentalen Elementen der Ontologie weisen. Der Ansatz, den Kuhlmann beschreibt, ist die "Tropen-Ontologie". In dieser sind die materiellen Dinge nicht aus sich selbst heraus real existent, sondern sie werden durch Bündel von Eigenschaften konstituiert. Demnach sind die materiellen Dinge nicht Träger von Eigenschaften, sondern sie setzen sich aus einem Bündel von Eigenschaften zusammen. Diese Eigenschaften tragen den eigentlich schon vergebenen Namen "Tropen".

Das sind Vorstellungen, die sich dem Laien nicht gerade aufdrängen, gelinde gesagt. Sollen die schönen, klaren Definitionen Bunge/Mahner obsolet werden (wb-Link unten Bunge)? Es sieht ganz so aus. Prof. Kuhlmann hat starke Argumente.

In der Philosophie befasst sich die Ontologie mit dem Seienden im allgemeinsten Sinne. Beispielsweise geht es darum, was Eigenschaften und Dinge sind und wie sie zueinander stehen. Sind Eigenschaften Teile von Dingen? Gehören Eigenschaften und Dinge nicht verschiedenen Kategorien an? Und wie können zwei verschiedene Dinge dieselbe Eigenschaft haben? Und wieso verändern sich alle Dinge und behalten trotzdem ihre Identität? Wieso können Dinge durch Veränderung aufhören zu existieren (Photon, das absorbiert wird, Schmelzen eines Eiswürfels)?

Immer wieder haben Ergebnisse der empirischen Wissenschaften wie der modernen Physik vermeintliche Denknotwendigkeiten ins Wanken gebracht. Beispiele: Raum und Zeit müssen nicht notwendigerweise eukli­disch sein, Kausalität muss keinen Determinismus implizieren, zwei Dinge (wie Elektronen) können dieselben Eigenschaften haben und trotzdem nicht ein und dasselbe Ding sein.

In der sogenannten analytischen Ontologie ist deshalb heute die Ansicht verbreitet, dass es nicht ohne Berücksichtigung der aktuellen naturwissenschaftlichen Erkenntnisse geht, und dass sich die Ansätze der Ontologie im Lichte dieser Erkenntnisse bewähren müssen. Die Theorien sollen die Welt möglichst so beschreiben, wie sie unabhängig von unserer Erkenntnis tatsächlich ist. Dieses Bild ist aber nicht einfach von den Theorien abzulesen, insbesondere bei der Quantenfeldtheorie. Dort ist nicht klar, welche Entitäten fundamental sind und welche abgeleitet. Teilchen- und Feldaspekt sind dort beide verankert. Der Autor argumentiert nun gegen die Vorstellung, Teilchen wären fundamental.

Schon die Nebelkammeraufnahmen von Teilchenbahnen sind nur eine Folge von Bläschen – Quantenobjekte nicht nicht scharf lokalisiert (das widerspräche Heisenbergs Unschärferelation), und sie befinden sich in der Regel nicht in einem endlichen lokalen Bereich. Das lasse sich mit No-Go-Theoremen zeigen. Als Beispiel wird aus der Annahme verborgener Parameter die Bellsche Ungleichung abgeleitet, die nach Kuhlmann sowohl empirisch verletzt ist als auch im Konflikt zur Quantenmechanik steht (wb-Link unten Bell).

Beweise gegen Teilchen

Gegen die Teilchen als fundamentale Entität spricht das Nicht-Lokalisierbarkeits-Theorem, das no-go-mäßig so auf einen Widerspruch geführt wird: Man macht einige schwache Annahmen für ein relativistisches, quantenmechanisches Teilchen. Sowas kann nicht zugleich in zwei disjunkten Gebieten sein. Zusammen mit weiteren Bedingungen führt das zu einer inakzeptablen Konsequenz – die Wahrscheinlichkeit, dass ein Ortsdetektor in irgendeinem endlichen Gebiet anspricht, ist Null. Und das ist eine inakzeptable Konsequenz, weil weil endliche Detektoren Ergebnisse für Ortsmessungen liefern (Nebelkammern, Photoplatten). Man muss also mindestens eine der Annahmen fallen lassen – und wenn man nicht an den fundmentalen relativistischen und quantenmechanischen Annahmen wackeln will, muss man die Teilcheninterpretation aufgeben (der Autor spricht von aufwendiger Argumentation, mit der er den Leser verschont).

Damit nicht genug, auch der Unruh-Effekt spricht gegen die Teilcheninterpretation der Quantenfeldtheorie. Er hängt damit zusammen, dass es im Vakuum nicht nichts gibt. Im Gegenteil, ein Teilchendetektor in einem beschleunigten Raumschiff im Vakuum würde ein thermisches Bad von Teilchen messen. Das ist ein verstörender Befund: Wenn Teilchen die fundamentalen mikroskopischen Bausteine unserer Welt wären, sollte die lokale Messung ihrer Anzahl nicht vom Bewegungszustand der Messapparatur abhängen.

Der Autor gibt Einblick in Quantenfelder, die abstrakte abstrakte mathematische Ausdrücke sind, nicht bestimmte Messwerte, sondern mögliche Arten von Messungen. Quantenfelder müssen auf den Zustandsvektor angewendet werden, der das System ganzheitlich beschreibt und keine konkreten Angaben für einen bestimmten Ort oder eine Verteilung in der Raumzeit liefert.

Was in der physikalischen Welt wirklich vorgeht, ist demnach was anderes als das, was die teilchenbasierte Ontologie beschreibt. Wenn man den Theorien glaubt, ist letztere also keine brauchbare Ontologie. Es wird auch nicht klar, was ein Teilchen oder ein Feld eigentlich ist. Beide Aspekte funktionieren nach Kuhlmann selbst dann nicht, wenn man nur einen davon vor sich hat.

Beweise für Tropen

Wenn man sich den Symmetrien zuwendet, bietet die Quantenfeldtheorie einen alternativen ontologischen Ansatz. Der Autor nennt diverse Symmetrien, z.B. die Eichsymmetrie. Die liefert Transformationen, bei denen bestimmte physikalische Größen invariant bleiben. Das Ganze ist höchst abstrakt. Zwar sind die Größen beobachtbar, nur entspricht den Transformationen kein Vorgang in der Welt.

Die Rolle der Symmetrien ist in der heutigen Physik oft entscheidend. Früher galten sie als eine Konsequenz der Dynamik, aber jetzt stellt sich der Zusammenhang genau andersrum dar: Die Dynamik scheint aus den Symmetrien zu resultieren. Wer also von der ontologischen Bedeutung der Grundprinzipien der Quantenfeldtheorie spricht, der spricht von der zentralen Rolle der Symmetrien in den Theorien über die Verfasstheit der physischen Welt. Eine radikale Sicht wird dargestellt. Wer von Quantenfeldtheorie oder Quantenchromodynamik spricht, der spricht von Symmetrien, hinter denen die Teilchen fast verblassen.

Und wenn man davon ausgeht, dass die Theorien die Welt in irgendeiner Weise abbilden, sollte die theorieinterne Priorität der Symmetrien ein Abbild der ontologischen Prioritäten sein. So lautet das Argument dafür, dass die Strukturen, die durch die Symmetrien bestimmt sind, ontologisch primär sind. Elementarteilchen und Wechselwirkungen sind dann sekundär und davon abgeleitet. Diese Sichtweise heißt "Ontischer Strukturenrealismus".

Und was heißt Primärsein und Abgeleitetsein? Es ist nicht dasselbe wie bei einem Stuhl, der ontologisch nicht primär ist, sondern seine Atome und die Relationen zwischen ihnen. Elementarteilchen bestehen ja nicht aus Symmetrien. Und was heißt es, dass auf der fundamentalen Ebene der physischen Welt nur Strukturen existieren? Diese Strukturen sind ja nicht kausal aktiv, sondern sie sind Eigenschaften.

Einerseits soll der Ontische Strukturenrealismus ja eine Ontologie für die physische Welt sein. Dann können die Strukturen, welche die Grundelemente der Ontologie bilden sollen, keine mathematischen Objekte sein. Andererseits genügt die Behauptung, dass es solche Strukturen gibt, nicht als Ontologie. Man muss schon explizit darstellen, in welchem Sinn Strukturen ontisch primär sein sollen. Was vordergründig attraktiv wirkt, wird bei genauerer Betrachtung zu einem ausgesprochen schwierigen Unterfangen, das Ganze auszubuchstabieren.

Der Ansatz ist, etwas weniger Substantielles als fundmental anzunehmen. Aber auch nicht Strukturen bzw. Relationen, sondern "Tropen". Das ist eine eigenständige ontologische Kategorie, und zwar die einzelnen Vorkommnisse von Eigenschaften. Als Beispiel dienen fünf Erbsen, die alle die eine Eigenschaft grün haben – das sind dann fünf exakt gleiche Grüntropen. Die Vorstellung dahinter ist, dass es keine abstrakten "Universalien" Grün usw. gibt, die in unserer konkreten Welt eine Rolle spielen. An ihre Stelle tritt bildlich die Klasse aller Grüntropen. Für diese partikularisierte Eigenschaft ist das Wort Trope inzwischen eingebürgert.

Vorteile für Ontischen Strukturenrealismus

Demnach sind Eigenschaften konkrete Einzeldinge oder "Partikularien", und was vorher ein Ding war, ist nun ein Bündel von Eigenschaften wie Farbe, Form, Festigkeit usw. Gegenüber dem Ontischen Strukturenrealismus bietet die Tropenontologie Vorteile, weil er physisch realisierte Strukturen annimmt. Die Entitäten sind aber nicht Elementarteilchen, so dass es nicht um die klassische Ontologie von Dingen und Eigenschaften geht. Die Tropen konstituieren Dinge, sie existieren als konkrete Partikularien. Tropen können nicht für sich alleine existieren, sie sind existentiell abhängige Entitäten (wie auch Zustände und Grenzen, eine Grenze kann nicht ohne dasjenige existieren, dessen Grenze sie ist).

Tropen sind also voneinander abhängig und bilden erst im Bündel existentiell eigenständige Dinge. Man kann sich das vorstellen wie die Stäbe von einem Tipi, die aneinandergelehnt werden. Einzelne Stäbe können nicht alleine stehen, aber alle Stäbe zusammen bilden eine stabile Struktur. Die Tropen können nicht eigenständig existieren, sie sind existentiell auf andere Tropen angewiesen. Aber auf nichts anderes, z.B. nicht auf Dinge. Die Tropen machen das Ding aus, und nichts anderes.

Problematisch ist bei dieser Vorstellung, dass jede Eigenschaft eesentiell für die Identität der Dinge wäre. Wenn eine Trope nicht mehr dabei ist, ist es nicht mehr dasselbe Ding. Aber man will doch sagen können, dass ein Ding seine Eigenschaften ändert und trotzdem dasselbe Ding bleibt. In Grenzen natürlich, wenn sich zuviel ändert, wird es doch zu einem anderen Ding. Beispiel Gartenzaun: Wenn man ihn streicht, bleibt es derselbe Zaun. Gibt man ihn in die Häckselmaschine, hört er auf zu existieren. Es gibt also essentielle und nicht essentielle Eigenschaften.

Um die zu unterscheiden, wird die gruppentheoretische Analyse von Symmetrien verwendet. Die Grundidee ist nach Kuhlmann, dass man in speziell-relativistischen Theorien durch die erlaubten raumzeitlichen Symmetrietransformationen zu allen möglichen Zuständen eines gegebenen Systems gelangen kann. Die relevante Poincaré-Gruppe liefert die gesuchten essentiellen Eigenschaften als diejenigen, die bei ihren Transformationen gleich bleiben.

Die essentiellen Eigenschaften liefern genau die Parameter, nach denen sich die verschiedenen irreduziblen Eigenschaften der Poincaré-Gruppe ordnen lassen. Dabei sind nicht Elementarteilchen irreduzible Darstellungen der Poincaré-Gruppe, sondern Klassen von Teilchen. Die Tropenontologie zeigt dann, wie man zu einzelnen Teilchen gelangt.

Zu den erforderlichen essentiellen Eigenschaften gehören noch eine bestimmte Masse, ein bestimmter Spin und bestimmte Ladungen. Alle anderen Eigenschaften eines Elektrons beispielsweise sind dagegen keine essentiellen Eigenschaften, z.B. sein Lokalisierungsverhalten. Die Tropenbündelinterpretation der Quantenphysik bildet einen harmonischen Rahmen dafür, dass Elementarteilchen spontan entstehen und vergehen können. In einer Teilchenontologie ist es paradox, dass im Vakuum die mittlere Anzahl der Teilchen Null ist, und trotzdem finden unzählige Prozesse statt, bei denen Teilchen erzeugt und vernichtet werden.

Da stellt sich die Frage: Wenn Partikel fundmental sind, wie können sie dann aus dem Nichts entstehen? (Physikers Antwort: Weil die Heisenbergsche Energie-Zeit-Unschärferelation für kurze Zeiten das Auftreten energiereicher Partikel erlaubt.) Und woraus gehen sie hervor? In der Tropenontologie enthält das Vakuum keine Teilchen, aber dafür verfügbare Tropen. Wenn die sich auf bestimmte Weise bündeln, ergeben sich Teilchen.

Die moderne Physik mit ihrer Quantenfeldtheorie zeigt klassische Vorstellungen der Philosophie von Teilchen und Feldern als problematisch, während sich Symmetrie-Vorstellungen als zentral erweisen. Das hat Auswirkungen auf die Ontologie, denen man Rechnung trägt, indem man von den Symmetrien ausgehend einen Weg zu den fundamentalen Elemeten sucht. Nach Kuhlmanns Vorschlag sind das partikularisierte Eigenschaften, eben die Tropen. Über die grundsätzlichen Fragen dabei sollten Physiker und Philosophen diskutieren. Immerhin beschreibt die Physik aktuell nur 5% (der gravitativ wirkenden Materie und Energie) des Universums, während Dunkle Materie und Dunkle Energie im Dunklen liegen – Zeit, die Grundlagen auf den Prüfstand zu stellen.

 

Link zu einem einschlägigen Artikel: Quanten, Physik & Philosophie – Was ist eigentlich Realität? – Einführung in die Tropenontologie von Meinard Kuhlmann (Spektrum.de 28.6.14)

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