Bemerkungen zum Buch von Robert B. Laughlin
Im Vorwort offenbart der Autor seine Weltsicht, der zufolge die Natur nicht allein von grundlegenden Naturgesetzen, sondern auch von allgemeinen Ordnungsprinzipien gesteuert wird, die sich nicht auf jene reduzieren lassen. Er glaubt vielmehr, dass sich alle grundlegenden Gesetzmäßigkeiten aus kollektiven Ordnungsprinzipien ableiten lassen, die man jedoch nicht durch bloßes Denken finden, sondern experimentell entdecken muss. Dabei aber will er dem Reduktionismus keine Absage erteilen, sondern ihm nur einen angemessenen Platz zuweisen. Mit den weiteren Kapiteln will er diese Sichtweise an Beispielen darstellen und begründen. Mit der Entdeckung der fundamentalen Naturgesetze kann die Welt nicht vollständig erklärt werden. Die Aussage, das Ganze sei mehr als die Summe seiner Teile, bezeichnet nicht nur eine bloße Vorstellung, sondern ein physikalisches Phänomen, das für komplexere Systeme typisch ist.
Die von der Wissenschaft entdeckten Gesetze gelten nur bis zu einer noch dazu offenen Grenze, jenseits der die Wildheit beginnt. Wir leben aber gerade innerhalb dieser Grenze und entdecken diese Gesetze, weil wir dort leben. Glücklicherweise ist die Welt so geordnet, dass wir dort leben können, und wir können die Grenze verschieben, obwohl das mühsam ist. Emergenz liegt an dieser Grenze.
Ein wesentliches Argument für das Primat kollektiver Gesetzmäßigkeiten gegenüber elementaren Naturgesetzen ist für Laughlin die Tatsache, dass die den Elementarteilchen zugeordnete Konstante der elektrischen Elementarladung e und die dem Lichtquanten zugeordnete Plankkonstante h mit der größten Genauigkeit aus der Klitzing-Konstante und der Josephson-Konstante ermittelt werden können, die beide aus Messungen an Supraleiteffekten, d.h. aus kollektiven Elektroneneffekten mit größter Messgenauigkeit und Reproduzierbarkeit zu gewinnen sind. Die Unabhängigkeit der Messwerte von zufälligen Materialverschmutzungen soll deren Kollektivcharakter als universelles Ordnungsprinzip belegen.
Die Newtonschen Gesetze konnten nur solange als elementar betrachtet werden, als man die Quantenmechanik noch nicht entdeckt hatte. Sie bewährten sich zwar in der kinetischen Gastheorie zur Erklärung makroskopischer Phänomene, aber das liegt nur daran, dass die Gasgesetze als emergente Ordnungsprinzipien unabhängig gegenüber den mikroskopischen Annahmen sind. Newtons Gesetze sind in der Größenordnung der Atome falsch. Es sind nicht fundamentale Gesetze, sondern emergente. Sie gelten nur in Folge des Zusammenschlusses der Atome und Moleküle zu Flüssigkeiten und Festkörpern und sind somit eine Erscheinung kollektiver Organisation. Die Quantengesetze können aus ihnen nicht abgeleitet werden. Die Quantengesetze und die Newtonschen Gesetze sind voneinander unabhängige, nicht aufeinander reduzierbare Gesetze verschiedener Hierarchieebenen, die getrennt entdeckt werden mussten.
Die Existenz und das gesetzmäßige Auftreten von Materiephasen wie Feststoffe. Flüssigkeiten, Metalle, Magnetstoffe, Suprafluidität und Supraleitung sind Ordnungserscheinungen, die emergente Eigenschaften zeigen, die nicht aus fundamentalen Naturgesetzen abgeleitet werden können, sondern nur experimentell bestimmbar sind. Wir könne nicht Kristallstrukturen, Härte, Viskosität, Siede- und Schmelzpunkte, Kompressibilität, Leitfähigkeit, Magnetisierbarkeit usw aus quantentheoretischen Modellen berechnen, es sind kollektive, emergente Eigenschaften der Materie.
Die Unlogik quantenmechanischer Erscheinungen resultiert aus der Tatsache, dass wir alle diese Erscheinungen wegen ihrer Kleinheit nicht direkt wahrnehmen können, sondern durch technische Hilfsmittel ins makroskopische transformieren müssen. Bei dieser Transformation kommen die emergenten Eigenschaften der jeweiligen Makrosysteme ins Spiel, die uns unterschiedliche, scheinbar nicht miteinander vereinbare Projektionen auf die quantenmechanischen Objekte liefern. Wir müssen einfach akzeptieren, dass Quantenobjekte derartige Eigenschaften haben, die für unseren an Makroobjekte angepassten Verstand nicht miteinander vereinbar sind. Der Physiker kann durch lange Gewöhnung an dem Umgang mit diesen Objekten seinen Geist an diese Objekte anpassen. Dies beweist nur, dass unser Geist ein Produkt der Anpassung an seine Umwelt im Zuge der Evolution ist.
Die heutigen konventionellen Computer sind echte Quantencomputer, denn sie nutzen quantenmechanische Effekte in Halbleiterchips. Die vielfach diskutierten „Quantencomputer“ sind aus reduktionistischen Überzeugungen gesponnene Phantasievorstellungen. Man kann sich zwar noch vorstellen, dass man die quantenmechanischen Wellenfunktionen für schnelle Berechnungen innerhalb eines Computers nutzen könnte, aber die zur Ausgabe der Ergebnisse erforderliche Transformation in makroskopische Effekte muss an den durch das Quantenrauschen erzeugten Fehlern scheitern. Die Schwelle zwischen Quanteneffekten und ihren makroskopischen Auswirkungen ist emergenter Art und nicht reduktionistisch überwindbar. Trotzdem wünscht Laughlin allen denjenigen, die in die Entwicklung von Quantencomputern investieren, viel Glück!
Die außerordentlich hohe Genauigkeit und Reproduzierbarkeit in der Größenordnung von 10^10 bei der Messung des Quanten-Hall-Effektes legten die Schlussfolgerung nahe, dass dieser Effekt ein charakteristisches Beispiel einer kollektiv - emergenten Materieeigenschaft darstellt, zumal der wenig später gefundene fraktionale Quanten-Hall-Effekte völlig unerwartet den fundamentalen Charakter der elektrischen Elementarladung in Frage stellte. Laughlin bewertet diese Entdeckungen als den Moment, in dem die Naturwissenschaften aus dem Zeitalter des Reduktionismus ins Zeitalter der Emergenz übergingen. Er definiert Emergenztheorie wie folgt:
„Aus der Sicht der Emergenztheorie stellt physikalische Gesetzmäßigkeit eine Regel kollektiven Verhaltens dar. Sie ist eine Folge ursprünglicherer, darunter liegender Verhaltensregeln (obwohl sie das nicht hätte sein müssen), und gibt einem die Möglichkeit, innerhalb eines beschränkten Rahmens von Bedingungen Vorhersagen zu treffen. Außerhalb dieses Rahmens wird sie bedeutungslos und durch andere Regeln ersetzt, die innerhalb einer Hierarchie der Abstammung entweder ihre Kinder oder ihre Eltern sind. Keine dieser Sichtweisen kann auf grund von Fakten die Oberhand über die andere gewinnen, weil beide auf Tatsachen gegründet und beide im herkömmlichen wissenschaftlichen Sinn des Begriffs wahr sind.“
In diesem Kapitel versucht Laughlin die Emergenz der Supraleitfähigkeit zu beweisen und zu erklären. Aber es gelingt ihm nicht. Ich habe hier nichts lernen können, was ich nicht schon vorher wusste. Immer wenn ich dachte, jetzt kommt ein neuer Gedanke, weicht Laughlin aus und erzählt eine Geschichte aus seinem Leben oder irgendetwas anderes. Ich kann nichts lernen wenn ich mir vorstellen soll, Supraleitfähigkeit ist so etwas wie wenn Moses das Rote Meer teilt. Schade! Wenn ich etwas verstanden habe, dann dies: Supraleitfähigkeit ist eine emergente Eigenschaft der Elektronen in einem genügend großen Festkörper, die nicht aus der Vielteilchen-Quantentheorie abgeleitet werden kann, sondern für die man zur Erklärung eine neue (emergente) Theorie entwickeln musste, eben die BCS-Theorie, die in den sozialistischen Ländern GLAG-Formalismus genannt wurde. (siehe z.B. Helmut Lindner: Das Bild der modernen Physik, Urania-Verlag 1975)
Hier werden mit wortreichen und nichtssagenden Erklärungen die Unzulänglichkeiten des vorangehenden Kapitels potenziert. Letztlich soll damit deutlich gemacht werden, dass das Scheitern der Versuche, die experimentell bestimmten Massen der verschiedenen „Elementarteilchen“ reduktionistisch aus einer Theorie zu berechnen, darauf zurückzuführen ist, dass Vakuum bisher nicht als emergente physikalische Erscheinungsform von Materie begriffen und behandelt wird und demzufolge es noch keine neue emergente Theorie dieses Zustandes gibt, die dieser Tatsache gerecht werden könnte. Eine solche Theorie kann freilich Laughlin auch nicht liefern. Die Wissenschaft ist hier eben an ihrer Grenze.
Einsteins spezielle Relativitätstheorie ist entgegen einer weitverbreiteten Meinung kein aus theoretischen Axiomen abgeleitetes Konstrukt, sondern eine theoretisch aufgearbeitete experimentelle Entdeckung einer emergenten physikalischen Erscheinung. Sie stützt die Auffassung Laughlins, das emergente Gesetzmäßigkeiten aus kollektiven Ordnungszuständen der Materie hervorgehen und nicht reduktionistisch aus fundamentalen elementaren Gesetzen abgeleitet werden können. Deshalb ist es nicht verwunderlich, dass in mikroskopischen Dimensionen Widersprüche zur Quantentheorie auftreten, die auch die Stringtheorie bisher nicht beseitigen konnte.
Laughlin zeichnet in diesem Kapitel ein pessimistisches Bild der Wissenschaft, die sich angeblich auf sinnlosen Flitterkram konzentriert, aus dem nur selten nutzbare Ergebnisse hervorgehen. Im Hintergrund wirkt hier offenbar eine ohnmächtige Kritik an den zunehmend desaströsen gesellschaftlichen Verhältnissen in den USA. Ist das Ausweichen in die Wildheit der Natur eine akzeptable Alternative?
Hier verstärkt sich der im vorangegangen Kapitel beschriebene Eindruck. Es werden die von verschiedenen Wissenschaftlern gegeneinander geführten Kämpfe um die Auslegung und Deutung experimenteller Ergebnisse geschildert, die eine Tendenz zum Agnostizismus erkennen lassen. Ist dies das Ende der Wissenschaft? Das Kapitel steht eindeutig im Widerspruch zu den im Vorwort erklärten Absichten des Verfassers.
Auf den Seiten dieses Kapitels
beklagt sich der Verfasser über ökonomische und soziale Missstände in
amerikanischen Forschungseinrichtungen, die zur Folge haben, dass
wissenschaftliche Untersuchungsmethoden gegenüber technischen
Machbarkeitsstudien arg ins Hintertreffen geraten sind. Auf den Gebieten der
Halbleiterforschung und der Biotechnologie soll es in dieser Hinsicht keine
wesentlichen Unterschiede geben. Daraus Schlussfolgerungen zu ziehen über das
Verhältnis zwischen reduktionistischen und emergenten Zusammenhängen
naturwissenschaftlicher Gesetzmäßigkeiten erscheint mir sehr weit hergeholt.
Dem zu Folge gibt es auch keine klare Aussage dazu, ob denn Laughlin nun die
Erkenntnisse der molekulargenetischen Forschungen für realistisch oder für
Quacksalberei hält. Auf der einen Seite schreibt er: In der Biologie gibt es
eine Fülle hochgradig quantifizierbarer Sachverhalte: den ribosomalen
genetischen Code, die Genauigkeit der DNS-Replikation, die Kristallstrukturen
der Proteine usw., auf der anderen Seite behauptet er: In Wahrheit hat
man die Mechanismen, welche die Umwandlung von Genen in Leben steuern, nicht
verstanden, weil es zu teuer wäre, dieses Verständnis zu gewinnen.
Die Sorge Laughlins, dass ein großer Teil des heutigen biologischen Wissens ideologischer Natur ist, mag berechtigt sein. Aber welche Schlussfolgerungen daraus zu ziehen wären, bleibt vollkommen offen.
Hier offenbaren sich die Tendenzen des Autors, anarchistischen Neigungen zu huldigen, immer mehr. Über weite Strecken wird der Sinn von wissenschaftlicher Forschung und wissenschaftlicher Ausbildung geradezu in Frage und die verheerenden Einflüsse von politischer und finanzieller Macht bezüglich der Ausrichtung wissenschaftlicher Forschungsprogramme massiv an den Pranger gestellt. Wenn man geneigt ist, angesichts der gegenwärtigen Tendenzen amerikanischer Politik derartige Einschätzungen für realistisch zu halten, kommt man zu der Schlussfolgerung, der die evolutionäre Entwicklung maßgebend bestimmende Einfluss zufälliger Mutationen mit überwiegend negativem Fitness-Effekt und nur selten positiven Innovationen bestimmt nach wie vor auch die Evolution gesellschaftlicher Prozesse und Systeme und relativiert die Bedeutung wissenschaftlicher Erkenntnisse für die bewusste Gestaltung der Zukunft der Menschheit. Wo bleibt da die Emergenz?
Laughlin schildert den Verlauf eines interdisziplinären Workshops, auf dem sich Akademiker der verschiedensten Fachdisziplinen, insb. auch der Humanwissenschaften, zu verständigen suchen, was denn Emergenz sei. Das Ergebnis ist natürlich emergent und nicht reduktionistisch:
„Emergenz steht für stabile Unvermeidbarkeit in der Art, wie bestimmte Dinge existieren. Emergenz bedeutet Unvorhersagbarkeit in dem Sinne, dass kleine Ereignisse große und qualitative Veränderungen bei größeren Vorgängen verursachen. Emergenz steht für grundsätzliche Unmöglichkeit der Kontrolle. Emergenz ist ein Naturgesetz, dem die Menschen unterworfen sind und das auf allen Ebenen der unbelebten und belebten Welt in gleicher Weise vorkommt.“
Laughlin stellt fest, dass die Wissenschaft von einem Zeitalter des Reduktionismus in ein Zeitalter der Emergenz übergegangen ist, eine Ära, in der die Suche nach letzten Ursachen der Dinge sich vom Verhalten der Teile auf das Verhalten des Kollektivs verlagert. Das besagt noch nichts darüber, ob er das für richtig oder besser hält. Er erklärt jedoch den Reduktionismus für gescheitert und weist darauf hin, dass gerade der Erfolg des Reduktionismus dazu beigetragen hat, den Weg für seinen Niedergang zu pflastern. Andererseits kritisiert er diesen Weg mit den Worten: „Bezeichnend für den Übergang zum Zeitalter der Emergenz ist außerdem die gesteigerte Bedrohung durch Antitheorien - Gedankengebäude, die Untersuchungen aufhalten und damit Entdeckungen erschweren.... Die oberste Antitheorie des Zeitalters ist die Vorstellung, dass nichts Grundlegendes mehr zu entdecken sei.“ Die wichtigste Aussage Laughlins scheint mir im letzten Satz dieses Kapitels zu liegen:
“Wir leben nicht in der Endzeit der Entdeckungen, sondern am Ende des Reduktionismus, einer Zeit, in der die falsche Ideologie von der menschlichen Herrschaft über alle Dinge mittels mikroskopischer Ansätze durch die Ereignisse und die Vernunft hinweggefegt wird. Damit ist nicht gesagt, dass Gesetzmäßigkeit im mikroskopischen Maßstab falsch sei oder keinen Zweck habe, sondern nur, dass sie in einer Vielzahl von Umständen durch ihre Kinder und Kindeskinder, die höheren Ordnungsgesetze der Welt, belanglos geworden sind.“
Das Buch bietet einen kritischen Einblick in den gegenwärtig erreichten Stand unserer Welterkenntnis und in die begrenzten Möglichkeiten, den derzeitig unbefriedigenden Zustand zu verändern. Hauptthema ist die Auseinandersetzung zwischen wissenschaftlichem Reduktionismus und Emergenztheorie, aber es ist nicht die Frage eines „entweder - oder“.
Meines Erachtens
ist die Frage: “Reduktionismus oder Emergentismus” falsch gestellt. Es ist die
gleiche Frage wie die: “Sind die Elementarteilchen nun Wellen oder Korpuskel?”.
Sie sind beides zugleich, auch wenn unser Verstand das nur schwer miteinander
vereinbaren kann, weil wir nur entweder die eine oder die andere Projektion
sehen können. Reduktionismus und Emergentismus als Gegensätze sind beide falsch.
Aber dessen ungeachtet gibt es emergente Eigenschaften, und Laughlin benennt
und beschreibt einige davon. Aber was Emergenz ist, kann er nicht beschreiben
und wenn er bei seiner Argumentation an diesem Punkt angekommen ist, weicht er
stets aus und erzählt irgendwelche Geschichten aus seinem Leben. Emergenz kann
man nicht reduktionistisch beschreiben. Wenn man es könnte, wäre es keine
Emergenz.
Es wäre auch sehr verwunderlich, wenn ein in der Evolution entstandenes Gehirn
in der Lage wäre, alle in der Welt existierenden Wechselwirkungen gleichzeitig
zusammenzudenken, und das wäre notwendig, wenn wir emergente Eigenschaften
reduktionistisch erklären wollten. Nach allgemeiner
Auffassung können wir komplexe Systeme mit mehr als 1oo Wechselwirkungen
nicht mehr exakt begreifen und müssen weniger dimensionale Modelle
konstruieren, um begreifen zu können. Eines dieser Modelle ist die Emergenz.
Sie ist ein Hilfsmittel der Wissenschaft, wo der Reduktionismus versagt und sollte
deshalb nicht weggeworfen werden, auch wenn für manche zunächst für emergent
gehaltene Eigenschaften reduktionistische Erklärungen gefunden werden können.
Unser Vorstellungsvermögen hat Grenzen. Wir können nicht wirklich verstehen,
warum 1+1=1 ist, wenn wir zwei Lichtgeschwindigkeiten addieren. Und doch ist es
so. An solchen Stellen bleibt nichts weiter übrig, als eine neue Theorie zu
erfinden, welche die Tatsachen erklärt.
Eines aber will
dieses Buch deutlich machen: Emergente Gesetzmäßigkeiten kommen auf allen
Hierarchieebenen vor, ob in der Physik der Elementarteilchen oder in den
Ordnungsparametern der Gesellschaft. In dieser Beziehung bildet die Welt ein
einheitliches Ganzes und es kommt darauf an, diese emergenten Gesetzmäßigkeiten
mit der gleichen Präzision zu erforschen, mit der man auch den Reduktionismus
betreibt.