aus spektrum.de, 7. 2. 2019
Weltbild der Physik
Die Entmaterialisierung der Materie geht zu weit
Physiker halten Information für den Urstoff des Universums. Wer genau darüber nachdenkt, stößt jedoch auf irritierende Widersprüche. Ein Essay.
Richard Feynman bemerkte einmal, auf die Frage, welche physikalische Aussage die größte Information in den wenigsten Wörtern enthalte: »Ich bin davon überzeugt, dass dies die Atomhypothese (…) wäre, die besagt, dass alle Dinge aus Atomen aufgebaut sind.« Dass materielle Dinge aus Atomen und diese aus weiteren Partikeln bestehen, gehört heute zum Kanon des naturalistischen Weltverständnisses. Nun fällt freilich an diesem Naturalismus zunehmend eine sonderbare erkenntnistheoretische Unschärferelation auf. Je tiefer nämlich das Verständnis der Materie, desto stärker verflüchtigt sich der Materiebegriff.
Unser gewöhnliches Materieverständnis beruht auf einer Art Legomodell. Wenn wir ein Gebilde aus Legosteinen bauen, dann ist die Gesamtmasse die Summe der Legosteinmassen. Aber dieses lineare Modell erleidet bei der Anwendung auf Mikroobjekte Schiffbruch. Betrachten wir ein Zuckerstück (Monosaccharose) von einem Gramm Masse. Es besteht aus über 1021 »Legosteinen« oder Molekülen. Sie setzen sich aus Kohlenstoff-, Sauerstoff- und Wasserstoffatomen zusammen, diese aus Elektronen, Protonen und Neutronen und die Protonen und Neutronen wiederum je aus drei Quarks. Der Hauptanteil der Zuckerstückmasse stammt von den Protonen und Neutronen. Aber die Quarkmasse beträgt etwa ein Prozent der Protonen- beziehungsweise Neutronenmasse. Woher kommen also die restlichen 99 Prozent?
Eine elegante und zugleich irritierende Lösung
Die Physik hat darauf seit Einsteins spezieller Relativitätstheorie eine Patentantwort: die Äquivalenz von Masse und Energie, eingefangen in der Ikonenformel: E = mc2. Deshalb kann die restliche Masse als Manifestation der Wechselwirkungsenergie der Quarks (und den Teilchen ihrer Wechselwirkung, den so genannten Gluonen) betrachtet werden. Eine elegante physikalische Lösung des Problems und eine irritierende zugleich: Das Stück Zucker besteht zum Großteil aus lokalisierter Energie.
Die Antwort irritiert, weil sie sofort die Frage provoziert: Energie von was? Darauf lässt sich ja nicht erwidern: Energie des Zuckerstücks. Denn so würden wir uns im tautologischen Kreis drehen. Wir lernten im Physikunterricht, dass eine Masse Energie »hat«, potenzielle etwa dann, wenn wir sie in eine erhöhte Lage heben; oder kinetische, wenn wir sie werfen. Genau diese Redewendung kehrt die Quantentheorie um, wenn sie sagt: Die Masse »ist« Energie, und zwar Energie eines zu Grunde liegenden »Etwas«, das den Raum erfüllt, zeitlich veränderbar ist und nur unter besonderen Bedingungen als lokalisiertes Teilchen in Erscheinung tritt. Dieses Etwas ist das Quantenfeld – ein Mischwesen aus Relativitätstheorie und Quantentheorie –, die wohl bizarrste Entität in der Geschichte der Physik.
Felder statt Teilchen
Die Geschichte des Feldbegriffs beginnt bereits bei Isaac Newton. Er stellte eine mathematische Theorie der Gravitation auf, basierend auf einem einzigen einfachen Gesetz. Es beschreibt die Stärke der Anziehungskraft zwischen zwei Massen, und zwar über beliebige Distanzen hinweg. Das Vertrackte an der Sache war für Newton, dass er eine mathematische Beschreibung von etwas fand, dessen Natur ihm zutiefst rätselhaft – letztlich absurd – erschien.
Das Gleiche erfuhren Michael Faraday und James Clerk Maxwell zwei Jahrhunderte später mit dem Elektromagnetismus. Faraday führte zum Verständnis dieser Wechselwirkung zwischen Ladungen Kraftfeldlinien als veranschaulichende Hilfsmittel ein, und Maxwell formulierte für die Dynamik dieser Feldlinien einen Satz von Gleichungen – ein Juwel der mathematischen Physik. Mit ihm lässt sich die ganze Fülle elektromagnetischer Phänomene berechnen. Aber wie bei Newton stellte sich die Frage: Was ist eigentlich Elektromagnetismus?
Die theoretischen Physiker neigen dazu, ihre Abstraktionen für die Realität zu halten
Physiker nach Maxwell suchten sie mit dem Vokabular der klassischen Physik zu beantworten, in der Sprache eines materiellen Substrats, des Äthers. Es gelang ihnen nicht, der Äther entpuppte sich als Phantom. Das war sehr verwirrend. Denn das elektromagnetische Feld ist etwas Reales, wir können es indirekt durch seine Wirkung auf geladene Körper nachweisen; oder auch dadurch, dass wir über Radio oder Handy Nachrichten empfangen.
Und wieder stellt sich die Frage: Schön und gut, aber was ist denn nun dieses »Etwas«, das allem zu Grunde liegt? Auf die Frage hatten die Physiker keine befriedigende Antwort. Sie sagten in ihrer Verlegenheit: Nun, Elektromagnetismus ist das, was die maxwellschen Gleichungen beschreiben.
Auf diese Weise konzipiert die moderne Physik die Materie. Sie setzt ontologisch an erster Stelle das Feld und nicht das Teilchen. Oder vielmehr: Felder und Teilchen sind identisch. Teilchen, auch ihre Eigenschaften wie Masse, Ladung oder Spin sind Manifestationen von Feldern, dem grundlegenden Substrat der Materie – letztlich einem mathematisch beschreibbaren Je-ne-sais-quoi.
Die kryptisch-geniale Formel »It from Bit«
Alle Dinge bestehen aus Atomen. In diesem Satz, schreibt Feynman, »werden Sie mit ein wenig Fantasie und Nachdenken eine Menge Informationen über die Welt entdecken«. John Archibald Wheeler, Doktorvater von Feynman, hatte viel Fantasie und nahm diese Aussage wörtlich. Information stellt für ihn nicht nur ein Mittel dar, die Welt zu entdecken, Information schafft überhaupt erst die Welt. Wheeler prägte die kryptisch-geniale Formel »It from Bit«: Etwas aus Information.
Was bedeutet das? Wheeler ließ sich von einem bekannten Gesellschaftsspiel inspirieren, dem »Twenty Questions«. Ein Spieler, der Fragesteller, verlässt den Raum und die restlichen Teilnehmer, die Beantworter, einigen sich auf einen Begriff, zum Beispiel »Rabe«. Der Fragesteller hat die Gelegenheit, den Begriff aus den Ja-oder-Nein-Antworten der Mitspieler zu deduzieren, und zwar hat er 20 Fragen zur Verfügung, etwa »Ist es lebend?«, »Fliegt es?«, und so weiter.
Wheeler ersann nun eine Variation dieses Spiels, deren Pointe darin besteht, dass sich die Beantworter gar nicht auf einen Begriff einigen, sondern ihre Antworten auf die vorgängigen Fragen und Antworten abstimmen. Sie dürfen nur nicht widersprüchlich sein. Aus maximal 20 Bits können also die Spieler durch fortgesetztes Fragen einen Begriff konstruieren, der am Anfang noch gar nicht feststeht. Aus den binären Fragen – den Bits – entsteht die definitive Antwort – das It.
Das entspricht recht genau der Situation in der Quantentheorie. Ihr zentrales theoretisches Element ist die Zustands- oder Wellenfunktion. Sie beschreibt das Spektrum der möglichen Werte beobachtbarer Größen – etwa Position, Energie, Spin. Nach einer heute mehrheitlich akzeptierten Interpretation, der Kopenhagener Deutung, enthält die Zustandsfunktion die vollständige Information – die Bits – über das betreffende Quantensystem: das It.
Quantentheoretisch existiert ein solches It erst nach der Messung – also nach der Interaktion mit einer Apparatur – in einem eindeutigen Zustand, so wie bei der wheelerschen Variante des Zwanzig-Fragen-Spiels der Begriff erst am Schluss feststeht. Klassisch sagen wir: Da ist ein Ding (ein Teilchen oder ein Objekt) in einem bestimmten Zustand – ein It –, und wir messen an ihm bestimmte Größen: Erst kommt die Realität, dann die Information. Bit from It.
Warum sollte die Enträtselung der Materie in einer ungeheuer langen Kette von Bits liegen?
Quantentheoretisch ist es umgekehrt. Hier sagen wir: Wir messen bestimmte Größen und schließen daraus, dass sich da ein Teilchen in einem bestimmten Zustand befindet. Erst kommt also die Information, dann die Realität. It from Bit.
Mit den Worten Wheelers: »Jedes Teilchen, jedes Kraftfeld, sogar das Kontinuum der Raumzeit leitet seine Funktion und Bedeutung, eigentlich seine ganze Existenz von den Antworten her, die der Apparat auf Ja-oder-Nein-Fragen gibt: binäre Entscheide, Bits.« Ein Lichtpunkt auf dem Bildschirm, ein elektrischer Puls, ein Klick im Detektor: Das sind die Antworten des Apparats, die Bits, die demnach die informationellen Atome der Realität darstellen. Schließlich sind sie die Basis, auf der wir den mutmaßlichen Kern der Dinge rekonstruieren.
Schwebt die Realität auf immaterieller Information?
Heißt das, dass die physikalische Realität auf fundamentalstem Niveau in der Existenzform immaterieller Information schwebt? Mitnichten. Es heißt in erster Linie, dass die theoretischen Physiker dazu neigen, ihre Abstraktionen für die Realität zu halten. Es stimmt durchaus, dass Physiker nicht Elektronen oder Photonen »beobachten«, sondern an Apparaten bestimmte Daten ablesen. Und zweifellos lassen sich solche Daten – zum Beispiel Punkte auf einem Bildschirm – als Bits auffassen. Aber Bits ohne Its – ohne irgendwelche materiellen Träger – sind nichts. Es gibt nur Bits-plus-Its.
Wenn wir die Punkte auf dem Bildschirm als die »letzten« immateriellen Informationsatome interpretieren, machen wir die Rechnung buchstäblich ohne die ganze materielle Welt des experimentellen Arrangements, das an der Entstehung der Punkte beteiligt ist. Wer »It from Bit« behauptet, müsste also erstmal erläutern, welche kausale Potenz denn in der immateriellen Information steckt, etwas Materielles zu erzeugen.
Diese Denkspur ließe sich weiter verfolgen ins Transzendente, nämlich dann, wenn man davon ausgeht, dass Fragen einen Fragenden, also ein Bewusstsein, voraussetzen. Der Apparat selbst stellt keine Fragen, ohne Beobachtung gibt es keine Realität. Also müsste am Anfang des Fragens, des Beobachtens, bereits »etwas« da sein, das Bewusstsein hat. Geist als Ursprung der Materie? Hier läuft die Formel »It from Bit« auf etwas hinaus, das beinahe wie das Johannesevangelium klingt: Am Anfang war das Bit. Und das Bit war bei Gott.
Die Bifurkation im naturphilosophischen Denken
Die Geschichte der modernen Physik ist eine Geschichte der Entmaterialisierung der Materie. Sie begann mit einer folgenreichen Bifurkation im naturphilosophischen Denken des 17. Jahrhunderts. Die ersten modernen Theoretiker der Materie – Galilei, Newton, Locke, Boyle – unterschieden zwischen primären und sekundären Eigenschaften der Körper, also zwischen quantifizierbaren und »bloß« qualitativen, auf die Sinne bezogenen Eigenschaften.
Wissenschaft könne nur von primären Eigenschaften handeln, weil allein sie die wirklichen, die »intrinsischen« Merkmale der Materie seien. Damit war die Geschichte der modernen Materie vorgezeichnet als die Geschichte der mathematischen »Vergeistigung« des Stoffs, schließlich kann man als Mensch mit den Sinnen nur die qualitativen Eigenschaften erfassen, nicht die quantitativen.
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Dieser »Vergeistigung« begegnet der interessierte Laie heutzutage regelmäßig, wenn er sich über den neuesten Stand der Erkenntnis orientieren möchte. Er liest von seltsamen Gebilden wie Strings und p-Branen, von 26-dimensionalen Räumen und Calabi-Yau-Mannigfaltigkeiten mit exotischen Topologien, sogar von »It from Qubit«, was den Gedanken Wheelers noch weiter treibt. Ein Schwindel ergreift ihn: Was hat das noch mit der Materie zu tun, die wir aus dem Umgang mit den Alltagsdingen kennen?
Ist die Realität wirklich so losgelöst von dem, was wir Menschen logisch finden? Verstehen wir hier etwas ganz Grundsätzliches nicht? Jedenfalls fällt auf, dass die Theoretiker den Materiebegriff von seinem körperlich-sinnlichen Bezug so sehr »gereinigt« haben, dass sie nun offenbar glauben, die Fundamente des Universums in den abstraktesten Höhen irgendeiner »letzten« Theorie zu finden.
Aber warum eigentlich soll die Enträtselung der Materie in einer Hand voll mathematischer Gleichungen oder in einer ungeheuer langen Kette von Bits liegen? Das könnte sich als Irrglauben herausstellen, der dann wohl in der Idee des Atoms keimen würde: So wie wir nach allem Teilen schließlich auf das Unteilbare stoßen, so stoßen wir nach allem Fragen auf eine Endantwort? Vielleicht haut uns die Natur an dieser Stelle übers Ohr. Vielleicht liegt im Herz von allem nicht eine Antwort, sondern immer nur eine weitere Frage.
Eduard Kaeser ist Physiker und promovierter Philosoph. Er ist als Lehrer, freier Publizist und Jazzmusiker tätig.
Nota. - Die ganze Mystifikation kommt aus dem Wort Information. Wörtlich heißt es nur, dass ein Etwas X einem Etwas Y eine Gestalt (Form, 'Bestimmung', Gehalt?) "eingibt". Das lässt sich auf die mannigfaltigste Weise verstehen. Auf welche Weise - das ist es, worum es im einzelnen immer geht, aber das Etikett I. ver- kleistert alles.
Wenn ich dir was sage, gebe ich die reine Information; z. B. "Es ist halb drei". Du weißt jetzt etwas, was ich vor die wusste und letzt immer noch weiß. Wir teilen eine Information; aber nicht so, wass du einen Teil hast und ich den andern, sondern wir haben beide gleichviel, ohn dass es durch die Verdoppelung mehr geworden wäre.
Man sieht: Hier liegt das Problem, nicht aber in dem rein zufälligen Gehalt 'es ist halb drei'. Ich kann mir nun einbilden, dabei handle es sich um eine Vergeistigung des Gehalts. Es handelt sich aber um eine Mysti- fizierung des Akts: "eingeben".
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Ich meine, ich redete von der Welt außer mir. Wer dort wem was eingibt, ist mir ebenso unzugänglich, wie die spezifische Bedeutung von eingeben in diesem oder jenem Fall. Ich kann mir höchstens 'ein Bild machen', dann das Geschehen in der Welt außer mir beobachten und prüfen, ob in dem Geschehen etwas vorkommt, was dem Bild, das ich mir gemacht habe, in einer gewissen (recte: weiterer Vergewisserung bedürftigen) Weise meinem Bild 'entspricht'. Zu dem Zweck stelle ich mit den Dingen in der Welt außer mir Versuche an, die mir neue Bilder sichtbar machen.
Information ist auf jeden Fall das Bild, das ich "eingebe". Das ist einziger Gegenstand der Philosophie, denn von ihm allein verstehe ich etwas: Ich habe es nämlich selber gemacht; verum et factum convertuntur.
Die Naturwissenschaft will und kann auch gar nichts verstehen. Sie will wissen, ob ihre Modelle zutreffen, und das entscheidet sie daran, ob ihre Gleichungen aufgehen. (Dies als Nachtrag zum spekulativen Realis- mus.)
JE
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