Das konsequent evolutionäre Weltbild

Nach Lee Smolin: Warum gibt es die Welt?

 

Inhalt

Einleitung

Das wissenschaftliche Weltbild ist engsten mit den gesellschaftlichen Verhältnissen und Zuständen verflochten und verändert sich wie diese im Laufe der Zeit. Im Mittelalter beherrschten die religiösen Anschauungen der katholischen Kirche auch die größten Geister der Wissenschaft. Demzufolge war das Universum endlich und unveränderlich, wurde von Gott geschaffen  und ließ ihm außerhalb seiner Grenzen Raum für seine ewige Existenz. Der Mensch und seine unmittelbare Umgebung standen im Mittelpunkt des Universums. Mit Kopernikus, Kepler und Galilei rückte lediglich die Sonne in den Mittelpunkt der Welt, der Raum außerhalb des Universums blieb für Gott und seine Engel unangetastet, während Giordano Bruno seine Behauptung, das Universum sei unendlich, und andere Gotteslästerungen im Jahre 1600 mit dem Leben bezahlte.

Erst 150 Jahre später wurde die von Kopernikus eingeleitete Veränderung des aristotelischen Weltbildes durch Newton mit der Einführung des unendlichen, absoluten Raumes und der Gravitationstheorie zu Ende geführt und eine umfassende und einheitliche neue Theorie geschaffen, die auf alles im damals wahrgenommenen Kosmos anwendbar war. Aber auch für Newton war Gott der allmächtige Schöpfer der ewig geltenden unveränderlichen physikalischen Gesetze und überall im Raum präsent. Jedoch bereits sein Zeitgenosse Leibniz kritisierte in seiner Monadenlehre aus philosophischen Gesichtspunkten heraus Newtons Vorstellungen vom absoluten Raum, konnte sich aber damit nicht durchsetzen.

Das Newton'sche Weltbild der klassischen Physik wurde erst im 2o. Jahrhundert mit der Einstein'schen Relativitätstheorie und der Quantentheorie zum Wanken gebracht, ohne dass es durch eine einheitliche neue Theorie ersetzt werden konnte. Während die Relativitätstheorie den absoluten Raum und die absolute Zeit widerlegte, geht die Quantentheorie nach wie vor von der Vorstellung eines absoluten Raumes und einer absoluten Zeit aus, die Relativitätstheorie aber kann nicht beschreiben, wie der Raum und die Zeit beim Urknall und in schwarzen Löchern beschaffen ist, wenn dort die Heisenberg'sche Unschärferelation verletzt wird. Die Relativitätstheorie ist eine streng deterministische Theorie, welche die Welt von Anfang bis Ende exakt beschreibt und vorhersagt und mit den statistischen Aussagen und Zufallsereignissen der Quantentheorie nichts anfangen kann.

Die Krise in der fundamentalen Physik

Die bisher unternommenen Versuche zur Vereinigung von Quantentheorie und relativistischer Gravitationstheorie sind nach Smolin's Auffassung deshalb gescheitert, weil die bisherige Wissenschaft von einem radikalen Reduktionismus ausgeht, den Smolin auch Atomismus nennt, und der die Eigenschaften jedes Systems aus den Eigenschaften seiner Elemente zu erklären sucht. In der Elementarteilchenphysik ist dieses Prinzip zunächst weitgehend erfolgreich gewesen, führt aber letztlich auf einen unendlichen Regress und kann die Eigenschaften der elementarsten Teilchen nicht erklären. Deshalb wird jetzt das entgegengesetzte Prinzip versucht: Danach besitzen die Elementarteilchen  gar keine festgelegten Eigenschaften, sondern deren Eigenschaften ergeben sich erst aus der Wechselwirkung mit ihrer Umwelt. Daraus ergibt sich aber die Konsequenz, dass diese Eigenschaften nicht konstant und ewig unveränderlich zu sein brauchen, sondern gemeinsam mit dem gesamten Kosmos einer Evolution unterliegen können. Das würde aber auch bedeuten, dass alle Naturgesetze nicht ewig gültig sind, sondern ebenfalls der Evolution unterliegen können. Mit der damit möglichen Selbstreflexibilität erhöht sich die Komplexität der Welt und die gegenseitige Abhängigkeit ihrer Objekte beträchtlich. So wie in der allgemeinen Relativitätstheorie die Verteilung der Massen die Geometrie des Raumes bestimmt und die Beschleunigung der Massen durch die Geometrie des Raumes entsteht, was wiederum zu einer Veränderung der Massen und der Raumgeometrie führt, so würden sich alle Objekte und Kräfte gegenseitig bedingen.

Ökologie von Raum und Zeit

In diesem Kapitel beschreibt Smolin die Evolution des Kosmos, der Galaxien und Sterne als einen wechselwirkenden kooperativen Selektions-Prozess, der zur Herausbildung gerade solcher grundlegender physikalischer Parameter führt, die wir in unserem Universum beobachten. Diese Prozesse werden hier in dem Teil "Evolution in kosmischen Maßstäben" ausführlicher systematisch dargestellt.

Die Organisation des Kosmos

Der klassischen Newton'schen Physik entsprach ein statisches, unendliches Universum, dem die Thermodynamischen Gesetze den Wärmetod voraussagten. Schon das war ein Widerspruch in sich, viel weniger konnte man aber verstehen, wie es in einem solchen Universum auf natürliche Weise zur Entstehung des Lebens gekommen sein sollte. Dieses veraltete Weltbild war nach den moderneren Erkenntnissen der Relativitätstheorie, der Kosmologie und der Elementarteilchenphysik nicht mehr haltbar. Mit der Entwicklung der Thermodynamik von Nichtgleichgewichtssystemen  stellt sich der Kosmos als ein System hierarchisch ineinander geschachtelter Fließgleichgewichtssysteme dar, deren Parameter durch kontinuierliche Energieflüsse  und rückgekoppelte Regelungsprozesse langfristig aufrechterhalten werden. Derartige Prozesse findet man in der Entwicklung der Sterne und Galaxien ebenso wie in den Lebewesen und der gesamten Biosphäre. Die Gaia-Hypothese erweitert dieses Prinzip auf die Aufrechterhaltung der Parameter der Erdatmosphäre und Smolin erweitert es auf die kosmologischen Prozesse der Bildung schwarzer Löcher und ihrer Verwandlung in neue Universen. Die Aufrechterhaltung der Energieflüsse in den untergeordneten Systemen wird dabei durch Konstanthaltung der Parameter in dem jeweils übergeordneten System gewährleistet, in das erstere eingebettet sind, und die Aufrechterhaltung der Parameter der übergeordneten Systeme wird durch rückgekoppelte Wechselwirkung mit den untergeordneten Systemen bewirkt :

·       Die Nahrungsmittelversorgung der Lebewesen wird durch die ökologischen Systeme der Biosphäre gesichert und die Abfälle der Lebewesen regeln die Parameter der Erdatmosphäre

·       Die Lebensprozesse auf der Erde werden durch die Energiestrahlung der Sonne und die Energieabstrahlung in das Weltall ermöglicht

·       Die langandauernde Strahlung der Sonne und die Bildung der Planeten wird durch die Sternbildungsprozesse in den Galaxien ermöglicht

·       Die Entwicklungsprozesse der Sterne führen zur Bildung schwarzer Löcher und ermöglichen die Evolution des Kosmos durch die Bildung neuer Universen.

Da die Aufrechterhaltung eines Fließgleichgewichtes in einem untergeordneten System langfristig nur möglich ist, wenn das übergeordnete System kein isoliertes Gleichgewichtssystem ist, können sämtliche Prozesse im Kosmos nur dann endlos laufen, wenn der gesamte Kosmos ständig expandiert.

Im modernen Weltbild eines durch hierarchisch geschachtelte Fließgleichgewichtssysteme charakterisierten Kosmos wäre die Entstehung und die Existenz von Lebewesen kein Prozess, der einer besonderen Erklärung bedarf, sondern ein Prozess, der zu den natürlichen Grundprozessen des Kosmos dazugehört. Denn ein lebendes System ist

·       ein selbstorganisiertes Nichtgleichgewichtssystem,

·       dessen Prozesse durch ein symbolisch gespeichertes Programm gesteuert werden und

·       das sich einschließlich des Programms selbst reproduzieren kann.

Man weiß heute, dass das Universum aus 10^11 Galaxien mit je etwa 10^5 Lichtjahren Durchmesser und einem meist nur wenig größeren Abstand besteht, zwischen denen sich aber Leerräume mit 10^8 Lichtjahren Durchmesser befinden. Obwohl wir aus der Hintergrundstrahlung des Weltraums wissen, dass das Weltall am heute sichtbaren Horizont vor 13 Milliarden Jahren, als es durchsichtig wurde, bis auf Schwankungen von 10^(-5) homogen war, stellen wir heute in mindestens 1% seines sichtbaren Volumens Strukturen auf allen Skalen fest, die durch Selbstorganisation entstanden sind. Solche Mechanismen der Selbstorganisation zeigen sich in allen kritischen Systemen, deren Strukturen über viele Größenordungen verteilt sind. Das platonische Weltbild, nach dem die Welt entsprechend dem theoretischen Modell einer mathematischen Struktur konstruiert ist, muss als Mystizismus aufgegeben werden. Das Schöpfertum des Universums besteht in dem zufälligen statistischen Prozess seiner eigenen Selbstorganisation. Solange wissenschaftliche Forschung nur versucht, ewig wahre Gesetze zu finden, nach denen die Welt funktionieren soll und erklärt werden kann, geht sie in die Irre, weil es eine solche Welt nicht gibt.

Moderne wissenschaftliche Erkenntnisse können nur gewonnen werden, indem natürliche Prozesse nachgespielt und die Ergebnisse mit der Realität verglichen werden. Postuliert man ewig gültige Gesetze, so kann die Welt nur durch Vorgabe von Anfangsbedingungen erklärt werden. Wirkliche Entwicklung gibt es dann nicht, alles ist bereits durch die Anfangsbedingungen festgelegt. Deshalb muß man einen alternativen Standpunkt einnehmen, wonach sich der heutige Zustand der Welt aus jeder beliebigen Anfangsbedingung durch das Prinzip der Selbstorganisation entwickelt haben kann.

Ewige Wahrheiten gibt es nur in der Mathematik, die aber nicht die Realität beschreibt, sondern die virtuellen Möglichkeiten der Welt. Echte Wahrheiten über die reale Welt sind nicht von ewiger Dauer, sondern in Entwicklung begriffen. Geht man von ewigen Wahrheiten aus, so stößt man auf die bekannten logischen Paradoxa, die jedoch verschwinden, wenn die zeitlichen Entwicklungen berücksichtigt werden. Jede selbstbezügliche Aussage und Erkenntnis ist als ein zeitlicher Entwicklungsschritt zu betrachten, dann treten diese logischen Widersprüche nicht auf.

Lange Zeit war das Bestreben der Wissenschaft, insbesondere der Physik, eine wissenschaftliche Theorie zu finden, die das Verhalten der als absolut und ewig vorausgesetzten Existenz der Dinge in der Welt richtig und objektiv beschreibt. Nach der Relativitätstheorie, der Quantentheorie, der Evolutionstheorie und den neuen Wissenschaften der komplexen und selbstorganisierten Systeme scheint dieses Ziel nicht erreichbar zu sein. Folgende philosophischen Fragen müssen neu gestellt werden:

·       Inwieweit kann man sich eine Welt vorstellen, deren fundamentale Regelmäßigkeiten das Ergebnis eines historischen Prozesses statt Aus­druck eines fundamentalen und absoluten Gesetzes sind?

·       Warum ist eine Welt, deren Strukturen durch von außen vorgegebene Gesetze entstanden sind und wie man sie sich seit der Kosmologie Platons bis zum heutigen Tag vorstellt, leichter zu begreifen als eine Welt, deren Regelmäßigkeiten das Ergebnis eines in dieser Welt und in der Zeit stattfindenden Selbstorganisationsprozesses sind?

·       Können wir mit einer wissenschaftlichen Kosmologie leben, die die Existenz von Bereichen des Universums postuliert, die wir nicht direkt beobachten können, und die aus dieser Annahme verifizierbare Vorhersagen ableitet? Wie sollen wir kosmologischen Theorien begegnen, nach deren Vorhersagen wir den größten Teil des Universums prinzipiell nicht beobachten können?

·       Wenn die Welt erst seit einer endlichen Zeit existiert, was könnte das für unser Verständnis von Dingen bedeuten, die möglicherweise ewig gelten, seien es die Naturgesetze oder mathematische Theoreme?

·       Was für eine Art der Erkenntnis stellt die Theorie der natürlichen Auslese dar? Handelt es sich dabei um eine reine Anwendung von Logik oder Wahrscheinlichkeit, oder besitzt sie einen empirischen Inhalt? Können wir uns eine Welt vorstellen, in der es zwar biologische Systeme gibt, in der aber das Prinzip der natürlichen Auslese nicht gilt?

·       Was bedeuten die Unvollständigkeitstheoreme von Gödel und anderen für die platonische Vision einer im wesentlichen mathematisch geordneten Welt?

·       Wenn die Welt lediglich nach einem einfachen und universellen Gesetz abläuft, wie ist dann Neuartiges möglich?

Smolin wirft diese Fragen zwar auf, will ihre Beantwortung aber erklärtermaßen lieber professionellen Philosophen überlassen, obwohl er im Folgenden seinen Standpunkt dazu ziemlich eindeutig zu erkennen gibt:

·       Es gibt hinter den erkennbaren Erscheinungen der Welt keine absolute und ewige Realität, deshalb sollten wir aufhören, danach zu suchen.

·       Der Glaube, die Welt vom Standpunkt eines objektiven Beobachters außerhalb der Welt als ewige und absolute Realität beschreiben zu können, ist ein Überrest der Religion, denn das wäre nur einem Gott möglich.

·       Unsere Erkenntnis ist zwar objektiv, bezieht sich aber ausschließlich auf die Erscheinungen dieser Welt, mit denen wir uns auseinander zu setzen haben. Wissenschaftliche Theorien müssen deshalb grundsätzlich so formuliert werden, dass sie die Erscheinungen vom Standpunkt eines Beobachters innerhalb der Welt beschreiben. Die Sichtweise eines Beobachters von außerhalb darf in ihnen gar nicht möglich sein.

·       Das geozentrische Weltbild, die Vorstellung von Elementarteilchen als etwas Punktförmiges und das anthropologische Prinzip sind nur notwendige Durchgangsstadien eines wissenschaftlichen Weltbildes, das noch teleologisch-religiöse Elemente enthält, woraus sich auch seine Entstehung und Beständigkeit ableiten.

·       Die Vorstellung, Naturgesetze gelten ewig, implizieren eine quasireligiöse Auffassung, denn sie müssten dann vor der Entstehung der Welt geschaffen worden sein - von einer Art Gott. Ein modernes evolutionäres Weltbild muss solche Vorstellungen überwinden.

 

Einsteins Vermächtnis

 

Der atomistische ist mit dem relationalen Standpunkt nicht vereinbar. Die Definition von Eigenschaften eines einzelnen Elementarteilchens, wie es lange Zeit in der Elementarteilchenphysik vergeblich versucht wurde, setzt einen absoluten Raum- und Zeitbegriff voraus. Aus relativistischer Sicht können einem einzelnen Teilchen keinerlei Eigenschaften zugewiesen werden. Seine Eigenschaften ergeben sich erst aus den Relationen zu seiner Umgebung. Dieses Konzept wird von den neueren Eichtheorien verfolgt.

In newtonscher Sichtweise besteht das Universum aus identischen Teilchen mit gleichen Eigenschaften, ihre Wechselwirkung ist aber sehr komplex. Die Komplexität ermöglicht Leben, ist aber nicht notwendig. Aus der bereits von Leibniz vertretenen relationalen Sicht sind zwei Teilchen identisch, wenn sie die gleichen Relationen zu allen anderen Objekten des Universums haben. Jedes Teilchen hat eine einzigartige Relation zum Ganzen. Das ist nur möglich, wenn das Ganze eine Mindest-Komplexität besitzt. Das Maß der Komplexität ist die Vielfalt. Vielfalt ist die Menge an Information, die notwendig ist, um jedes einzelne Teil eines Systems durch seine Wechselwirkungen mit dem Rest des Systems vollständig zu beschreiben. Daraus folgt, dass die Vielfalt des Systems um so größer ist, je weniger Information erforderlich ist, um jedes Teilchen durch seine Nachbarschaft zu charakterisieren. Bei großer Vielfalt ist z.B. sein Ort durch seine unmittelbare Umgebung bestimmt.

Ein Universum im thermodynamischen Gleichgewicht hätte vielleicht eine höhere Vielfalt als ein vollkommen symmetrisches , seine Komplexität wäre aber nicht groß genug, um jedem Teilchen eine einzigartige Relation zum Ganzen zu ermöglichen. Aus relationaler Sicht ist ein solches Universum gar nicht möglich, könnte also nur in einem absoluten Raum existieren.

Der Übergang vom absoluten zum relativistischen Raum-Zeit-Bild hat fundamentale Auswirkungen auf das Verständnis von Eigenschaft, Identität, Individualität, Komplexität und Leben im Universum. Die Newtonsche Theorie hat sich gegenüber der Leibnizschen zunächst nur deshalb durchgesetzt, weil sie einfacher war.

Obwohl Einstein die Bedeutung der Relativität und Gleichwertigkeit aller Beobachterstandpunkte erkannte, versuchte er weiterhin ein physikalisches Weltbild zu schaffen, das objektiv vom Standpunkt eines außerhalb des Universums befindlichen Beobachters Geltung haben sollte. Erst mit der Quantentheorie wurde die Unmöglichkeit eines solchen Standpunktes offenbar.

Die Quantentheorie kann kein objektives Weltbild vom Standpunk eines Beobachters außerhalb des Universums liefern. Sie ist eine nichtlokale Theorie und kann die Eigenschaften eines Elementarteilchens grundsätzlich nicht unabhängig vom Rest der Welt beschreiben. Das ist kein Mangel der Theorie, sondern entspricht der Realität, wie die Experimente von Alain Aspect Ende der 70er Jahre nachgewiesen haben.

Kosmologie und Quantentheorie

Die bisherige Kosmologie kann sich auf die Relativitätstheorie stützen, weil diese die Betrachtung des Universums vom Standpunkt eines äußeren Beobachters erlaubt. In der Quantentheorie ist eine solche Betrachtungsweise nicht möglich, weil diese nur Aussagen liefert, wenn die Welt von vornherein in zwei Bereiche aufgeteilt wird. Der Beobachter steht mit seiner Uhr und seinen Messinstrumenten auf der einen Seite der Trennwand, das zu untersuchende System auf der anderen Seite. Die Quantentheorie liefert stets nur Aussagen über das zu untersuchende System, die von der Gestaltung der Trennwand abhängen. In jeder konkreten Situation sind diese Aussagen vollständig, aber ob sie das zu untersuchende System objektiv vollständig beschreiben, hängt von der Interpretation ab. In relationaler Sichtweise sind die gelieferten Informationen objektiv vollständig, weil die Eigenschaften des untersuchten Systems grundsätzlich von seiner Umgebung abhängen. Will man das nicht akzeptieren und sucht einen "objektiven", außerhalb des Universums stehenden Beobachter, so kommt man zur Vielweltentheorie von Everett. Für einen solchen Beobachter sind alle möglichen Zustände des Systems real, aber wir als Teil des Universums können jeweils nur einen Teil aller vorhandenen Informationen erhalten. Kosmologen, die die Welt "objektiv" von außen beschreiben wollen, entscheiden sich deshalb für die Vielwelteninterpretation. Dies hat zur Konsequenz, dass wir einen Teil der realen Welt grundsätzlich nicht beobachten könnten, weil wir nur in einem Teil dieser Welt leben. Smolin mag diese Theorie nicht. Ich auch nicht. Es werden hier die Kategorien des Möglichen und des Wirklichen nicht unterschieden.

Ein anderes Problem besteht darin, dass kein Beobachter eine vollständige Information über das System haben kann, zu dem er selbst gehört. Erstens reicht die Komplexität seines Gehirns nicht zur Speicherung der viel größeren Informationsmenge des viel komplexeren Universums aus und zweitens verändert sich der Zustand jedes Beobachters in dem Moment, in dem er sich selbst beobachtet. Eine vollständige Quantentheorie des Universums könnte dann nur so konstruiert werden, dass sie sich aus den Informationen vieler Beobachter zusammensetzt, die nur Informationen über den Teil des Universums enthalten, zu dem der jeweilige Beobachter gerade nicht gehört. Die mathematischen Strukturen einer solchen Theorie wurden zum Teil bereits im Rahmen der topologischen Quantenfeldtheorien und der holographischen Hypothese ausgearbeitet.

Ein wesentliches Hindernis für eine Vereinigung von Quantentheorie und Relativitätstheorie sieht Smolin in der Tatsache, dass beide Theorien in einer kontinuierlichen, nicht gequantelten Raumzeit beschrieben werden. Zur Quantelung der Raumzeit entwickelte Penrose die Twistor-Theorie. Nach dieser Idee besteht der Raum aus Relationen zwischen gequantelten Raumelementen, die durch die gequantelte Oberfläche von realen physikalischen Objekten, wie z.B. schwarzen Löchern oder Potentialflächen elektrischer Felder definiert werden und Spinnetzwerke bilden. Erstaunlicherweise vereinfachten sich die Feldgleichungen der Einsteinschen Theorie der Gravitation erheblich, wenn sie in der Twistor-Theorie formuliert werden und dabei auf die durchgängige Symmetrie der Raumzeit verzichtet wird, wie dies durch die  ausschließlich linksdrehenden Neutrinos nahegelegt wird.

Während die Relativitätstheorie keinen Raum lässt für die Existenz einer absoluten Zeit, geht die Quantentheorie nach wie vor gerade von einer solchen aus. Um die daraus erwachsenden Widersprüche zu überwinden, entwickelte Julian Barbour eine Vorstellung, gemäß der das Universum ein ungeordneter Haufen von Augenblicken sei, die erst durch ihre Relationen die Bedeutung einer Zeit erhalten. Diese Relationen müssten dann so geordnet werden können, dass sie jeweils als Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft eines bestimmten Prozesses deutbar sind. Welches könnte aber der Prozess sein, der zwischen allen diesen Einzelverknüpfungen einen Gesamtzusammenhang herstellt, der Zeit genannt werden könnte?  Ein solcher Gesamtzusammenhang kann nur existieren, wenn das Universum hinreichend komplex ist und wenn in ihm eine Evolution stattfindet. Sind diese Voraussetzungen vorhanden, so bestehen gleichzeitig auch die Voraussetzungen für die Entwicklung des Lebens in Form eines Nebenproduktes eines sehr viel größeren Musters von Selbstorganisation und Selbststrukturierung. Nach diesem Weltbild kann ein Universum überhaupt nur dann existieren, wenn es hinreichend komplex und dynamisch ist.

Epilog

Smolin gibt in diesem Kapitel seiner Überzeugung Ausdruck, dass die aus den Widersprüchen der Kosmologie, der Relativitätstheorie und der Quantentheorie resultierenden Erkenntnisse und Weltanschauungen nicht nur für die Weiterentwicklung dieser Wissenschaften von Bedeutung sind, sondern darüber hinaus auch das gesellschaftliche, kulturelle und politische Zusammenleben aller Menschen dieser Welt beeinflussen und bestimmen werden und zur Richtschnur unseres Handelns werden sollten.