Galileos Finger. Die zehn großen Ideen der Naturwissenschaft [Gebundene Ausgabe]

Meilenstein einer »Theorie von Allem« »Galileos Finger« weist auf die Ideen der Natur und die Zukunft ihrer Erforschung. Er deutet auf das Detail, den Atomkern, die DNA und verweist zugleich auf das große Ganze, das Leben, das Universum. Mit zehn grundlegenden Ideen entfaltet Sir Peter Atkins das umfassende Spektrum von Natur und Kosmos. Er gibt jedem Leser eine anschauliche Vorstellung, was am Anfang des 21. Jahrhunderts »die Natur im Innersten zusammenhält«.

Geduldig, voller Esprit eröffnet einer der führenden britischen Forscher seinen Lesern ein Verständnis für alle Naturwissenschaften. Atkins beginnt seine Reise durch den Kosmos der Naturideen bei der Evolution und den großen Fragen, die sich an sie knüpfen: Was ist Leben, was ist Energie, warum gibt es überhaupt eine biologische Entwicklung?

Der Mikrokosmos der Atome und Moleküle, die Grundstrukturen der DNA verblüffen ebenso wie die perfekten Symmetrien in Natur und Kosmos und führen aus der anschaulichen Natur hinaus in den Makrokosmos des unendlichen Universums. Von dort weiter in die Welt der Abstraktion und Zahlen, über die berühmte Relativitäts- und die berüchtigte Quantentheorie, zu den Fragen der Komplexität und Entropie, dem kosmischen Ursprung allen Wandels, um in der rätselhaften Raumzeit zu enden, dem Schauplatz aller Ereignisse und allen Handelns ...

Die zehn großen Ideen: 1. Evolution - Das Auftauchen des Komplexen 2. DNA - Das Leben wird rational und wissenschaftlich 3. Energie - Gibt es eine Buchhaltung im Universum? 4. Entropie - Die universale Quelle allen Wandels 5. Atome - Die Materie in den kleinsten Teilchen 6. Symmetrie - Läßt sich die Schönheit berechnen? 7. Quanten - Läßt sich das Verstehen vereinfachen? 8. Kosmologie - Die Realität findet im ganzen Universum statt 9. Raumzeit - Der Schauplatz allen Geschehens 10. Arithmetik - An den Grenzen des Verstandes und der Vernunft

Galileos Finger, der hundert Jahre nach seinem Tod in das Museum für Naturgeschichte in Florenz gebracht wurde, weist symbolträchtig den modernen Naturwissenschaften die Richtung. In die Zukunft - hinüber ins 21. Jahrhundert.

»Der Nobelpreis für Literatur ist noch nie an einen Naturwissenschaftler vergeben worden ... Peter Atkins ist hierfür mein Kandidat.« Richard Dawkins: »Das egoistische Gen«, »Der blinde Uhrmacher« und »Der entzauberte Regenbogen«

Peter Atkins, geboren 1940, ist Professor der Chemie und Fellow des Lincoln College an der Universität Oxford.

Er verfaßte mehrere weltberühmte Lehr- und Sachbücher, unter anderen »Schöpfung ohne Schöpfer«, »das sprachlich eleganteste populärwissenschaftliche Buch aller Zeiten.« Richard Dawkins

Prolog
Der Beginn des Verstehens

Warum ausgerechnet Galileos Finger? Galileo markiert den entscheidenden Wendepunkt. Nach ihm schlug der Ehrgeiz der Naturwissenschaft eine neue Richtung ein. Damals gaben die Wissenschaftler - ein Begriff, der noch gar nicht existierte - ihre Lehnstuhlspekulationen auf. Ihnen waren ihre früheren Versuche, die Natur der Welt durch Nachdenken zu begreifen, fragwürdig geworden. Es war jener Wendepunkt, an dem diese Wissenschaftler erste schwankende Schritte in die moderne Naturwissenschaft wagten, indem sie das bislang Selbstverständliche anzweifelten. Noch gaben sie ihre Spekulationen am grünen Tisch und nachdenkliche Betrachtungen im stillen Kämmerlein nicht ganz auf, gingen aber eine neue, starke Allianz mit jener Methodik ein, die allgemein überprüfbare, experimentelle Beobachtung verlangt.

Diesen Aspekt von »Galileos Finger« können wir in all unseren gegenwärtigen Wissenschaftsgebieten ausmachen. Wir sehen ihn in der Physik, wo er zuallererst Wirkung erzeugte. Wir beobachten ihn in der Chemie, in die er Anfang des 19. Jahrhunderts seinen Weg fand. Und schließlich nehmen wir ihn in der Biologie wahr - insbesondere, seit die Biologie im 19. und 20. Jahrhundert begann, mehr als nur eine Quelle des Staunens zu sein.

Kurzum, dieses Buch würdigt die Wirksamkeit von Galileos symbolträchtigem Finger, wenn es darum geht, die Wahrheit ans Tageslicht zu bringen. Daß von Galileos Körper nur ein Finger erhalten geblieben ist, die Nachfahren seiner Techniken und Methoden aber blühen und gedeihen, ist nicht zuletzt ein Sinnbild für die Endlichkeit des menschlichen Daseins im Gegensatz zur Unvergänglichkeit des Wissens.

Galileo war selbstverständlich weder der einzige noch der erste, der diesem Ansatz zur Entdeckung von Wissen den Weg bereitete, aber er ist als Gestalt der Ideengeschichte bekannt genug, um ihn mit guten Gründen als Symbol für die Einführung naturwissenschaftlicher Vorgehensweisen zu wählen. Ein Aspekt dieser verblüffend überzeugenden Methode, die Wahrheit über die Welt bloßzulegen, liegt in der zentralen Bedeutung des Experiments. Dies unterscheidet die Wissenschaft von ihrer großen Rivalin, der Spekulation, die sich sprachlich eindrucksvoll artikuliert und doch müßig bleibt. Sich in die Welt hinauszubegeben und unter sorgfältig kontrollierten Bedingungen Beobachtungen zu machen reduziert die subjektive Komponente unserer Wahrnehmung auf ein Minimum und macht Beobachtungen prinzipiell einer Überprüfung durch jedermann zugänglich.

Galileo entwickelte auch die Kunst der Vereinfachung. Sie beruht darauf, die wesentlichen Elemente eines Problems zu isolieren. Allein durch sein Denken spähte er durch die Wolken, die die zugrundeliegende Einfachheit real existierender Systeme verbergen - so wie er beispielsweise durch sein Teleskop schaute und die Komplexität des Sternenhimmels wortwörtlich wahrnahm. Den knarrenden Wagen, der durch den Schlamm geschleppt wird, ließ er außer acht und betrachtete statt dessen die Unkompliziertheit, mit der eine Kugel auf einer schiefen Ebene rollt, die Schlichtheit eines Pendels, das von einem hohen Turm schwingt. Diese Trennung des eigentlichen Problems von dem Knarren und der Verworrenheit der Realität ist ein ganz zentrales Element der wissenschaftlichen Methode. Naturwissenschaftler erkennen die Perle in der Auster, den Edelstein in der Krone.

Epilog
Die Zukunft des Verstehens

Wohin zeigt Galileis Finger, wenn er in die Zukunft des Verstehens weist? Auf die begeisternden Fortschritte der letzten Jahrhunderte, vor allem der letzten hundert Jahre, auf die Fortschritte, die nicht nachzulassen scheinen? Wo also wird das alles hinführen?

Die Wissenschaft erweckt den Eindruck, »halb-unendlich« zu sein. Damit will ich folgendes vorsichtig und ein wenig umständlich ausdrücken: Ein Optimist kann durchaus annehmen, daß die Suche nach einer finalen Theorie, die alles umfaßt und erklärt - also einer Art Weltformel oder ein wenig unangemessen ausgedrückt, einer »Theorie für Alles« (theory of everything) -, erfolgreich sein wird, mögen die Verästelungen und Anwendungen der Wissenschaft noch so verzweigt, komplex und endlos sein. Und dennoch ist jedes Jahrhundert von den Überresten dieser Überzeugung - den Knochen dieser Ansicht - übersät, ausgebleicht und durch das harte Licht des auf ihn folgenden Fortschritts der Lächerlichkeit preisgegeben worden. Jedoch sind die Vorzeichen heute anders, und Optimisten können - sollte der Optimismus nicht ein Persönlichkeitsmerkmal aller Wissenschaftler sein? - auf den entscheidenden Unterschied zwischen den Untergangspropheten des 19. und denen des 21. Jahrhunderts hinweisen.

Ein Wissenschaftler des 19. Jahrhunderts lebte in einer Welt der Apparate, die immer ausgefeilter wurden und alle Größen umfaßten, vom winzigen Apparat zum Netz von Apparaturen, die ein ganzes Land um spannten. Ein Naturwissenschaftler dieses Typs betrachtete Erklärungen als Ergebnisse, die aus der Anwendung eines Apparats resultierten. Für ihn bestand das Gelobte Land allumfassenden Verstehens im Bau eines babylonischen Apparats: Mit seiner Hilfe wollte er der Beobachtung nacheifern, denn Apparate konnte man damals zumindest verstehen. Diese Ansicht prägt, wie wir später sehen werden, die Wissenschaft von heute immer noch, auch wenn sie kaum mehr vertreten wird. Heute aber, am Anfang des 21. Jahrhunderts, akzeptieren die Wissenschaftler derartige instrumentelle Erklärungen, also daß die Ergebnisse daraus hervorgehen, daß eine Apparatur erfolgreich eingesetzt wurde und »etwas gemessen« hat, nicht mehr. Diese Ansicht vom Abschluß des Verständnisprozesses gilt heute als naiv. !
Denn jedes Gerät ist selbst aus kleineren Geräten zusammengesetzt - ja, sogar alles, was über bestimmte Eigenschaften verfügt, kann man als zusammengesetztes »Gerät« bezeichnen. Ein Elektron mit seiner Masse, seiner Ladung und seinem Spin ist in diesem Sinne ein Gerät - früher oft als »Ding« beschrieben -, das mit einer Struktur oder mit Grundmerkmalen ausgestattet ist.

Vom Zeitalter der Apparate sind wir unversehens ins Zeitalter der Abstraktion hineingeraten. Am Beginn des 21. Jahrhunderts sind die Wissenschaftler davon überzeugt, daß die Tiefenstruktur des Universums nur in mathematischen Begriffen ausgedrückt werden kann. Jeder Versuch, die Mathematik mit visuellen Modellen in Beziehung zu setzen oder anschaulich zu machen, birgt zahlreiche Gefahren. Abstraktion lautet heute die Devise, und sie ist zur Zeit das Paradigma des Verstehens. Jede finale Theorie, wenn es eine solche gibt, wird - das kann man heute schon vermuten - die Grundstruktur der Welt vollkommen abstrakt darstellen. Wir verfügen dann über ein Weltmodell, das wir aber nicht unbedingt verstehen.

Diese Ansicht, daß wir vielleicht eine Erklärung haben werden, sie aber nicht verstehen können, mag zu extrem, ja paradox sein. Aber wir Menschen sind geschickt darin, in der Mathematik, insbesondere der mathematischen Physik, vertraute Begriffen anzuwenden; und zugleich sind wir uns jederzeit darüber im klaren, daß unsere Interpretation unvollständig ist und daher tückisch, ja gefährlich sein kann, und trotzdem liefert sie uns Erklärungen. Lassen Sie mich das mit einem Beispiel verdeutlichen. Den Spin können Sie sich, wenn Sie eine Eselsbrücke suchen, als ein drehendes Elektron vorstellen, als rotierende Kugel; aber im Grunde wissen Sie und ich, daß der »Spin« tatsächlich etwas außerordentlich Abstraktes ist, dessen Merkmale man nicht vollständig in dieses klassische Bild fassen kann; ja sogar, daß bestimmte Aspekte dieser klassischen Vorstellung in die Irre führen. Die Stringtheorie ist ein weiteres Beispiel, bei dem wir behaupten zu begreifen, was wir mit dem mathematischen Konzept einer Schnur (engl.: string) in vielen Dimensionen meinen. Wir denken dabei an eine wirkliche Schnur, die in drei Dimensionen schwingt. Obwohl die Theorie am Ende höchst abstrakt sein mag, erwarten wir vertraute, bedeutungsvolle Vorstellungen. Tatsächlich sind diese aber wenig präzis und inhaltlich vage, weshalb die Autoren populärwissenschaftlicher Bücher eine große Zukunft vor sich haben, eine »Theorie von Allem« überraschend neu, ansprechend und nachvollziehbar zu schildern.

Aber was meinen wir denn eigentlich mit einer »finalen Theorie«? Diese allumfassende Gesamttheorie wird keine einzelne Gleichung sein, die - einmal gelöst - für jede Eigenschaft und Tätigkeit unter der Sonne und für die Sonne selbst maßgeblich ist. Eine finale Theorie wird ein Konzeptkomplex sein, der in einem gewissen Sinne - ich kann hier nicht deutlich werden, weil sich Deutlichkeit nur rückblickend ergeben wird - eine Haltung gegenüber der Grundstruktur der materiellen Welt verkörpert. Um Ihnen eine Vorstellung davon zu geben, woran ich hier denke, möchte ich auf den gescheiterten, aber einfallsreichen Versuch des höchst phantasievollen John Wheeler hinweisen, der vor fast 50 Jahren darüber nachdachte, ob der Stoff der absoluten Realität eine Mischung aus Aussagen der Aussage- und Prädikatenlogik sei. Würde ein Universum entstehen, wenn beliebige logische Aussagen zur Selbstkonsistenz und inneren Widerspruchsfreiheit drängten? War der Urknall ein Ausbruch, der dazu führte? Oder anders gesagt, war die Schöpfung der Geburtsakt ihrer eigenen potentiellen Verständlichkeit?

Was werden die Wissenschaftler tun, wenn sich erst einmal eine »Theorie für alles« etabliert hat und verwendet wurde, um alle bekannten Eigenschaften des Universums vorherzusagen? Einige werden die Richtung wechseln und die Verästelungen dieser finalen Theorie erkunden. Damit werden sie bis in alle Ewigkeit zu tun haben, vorausgesetzt, die Menschheit bleibt am Leben. Es wird jedoch andere geben, die sich über die Selbstkonsistenz oder Widerspruchsfreiheit innerhalb dieser finalen Theorie Gedanken machen, denn sie erinnern sich an Gödels Theorem und dessen negative Konsequenzen, was das Beibringen solcher Beweise betrifft (10. Kapitel). Wer sich keine Gedanken über die Widerspruchsfreiheit macht, liegt nachts schlaflos und macht sich Sorgen, weil nicht zu beweisen ist, daß diese finale Theorie einzigartig ist. Vielleicht entdecken sie sogar eine dem Anschein nach vollkommen andere Theorie für alles, die genau dieselben Konsequenzen hat, aber da sie mathematisch nicht identisch mit der Konkurrenztheorie ist, impliziert sie, daß das Universum ganz anders ist als bisher angenommen. - Nun denn, das ist Wissenschaft! [...]