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INTERVIEW/015: Die DPG stellt vor - Zusammenschau ...    Dr. Irena Doicescu im Gespräch (SB)


Erklärung der Erklärung - wie die Philosophie der Physik auf die Sprünge helfen will

Frühjahrstagung der Sektion Materie und Kosmos (SMuK) der Deutschen Physikalischen Gesellschaft vom 13. - 17. März 2017 an der Universität Bremen

Dr. Irena Doicescu zur Wiederkehr alter Konzepte in der Physik, zur Problematik des Nachweises eines Higgs-Teilchens und zur Zusammenarbeit von Philosophen und Physikern


Physiker bauen sich ein Weltbild aus Erklärungen auf, ohne die Methode des Erklärens selbst zu hinterfragen. Die philosophische Analyse ihrer Herangehensweise halten sie gewöhnlich für eine privates Hobby, auf das man gerne auch verzichten kann. Die Experimentalphysikerin Dr. Irena Doicescu, die an der TU Dresden Didaktik in der Physik lehrt, ist angetreten, die "Schnittmenge von Physik und Philosophie zu begründen". Auf der Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft in Bremen erläuterte Dr. Doicescu in ihrem Vortrag "Erklärungsmuster in der Physik: ein Vergleich von philosophischen und experimentalphysikalischen Argumentationspfaden" unter anderem, wie man einen Begriff wie die wissenschaftliche Erklärung aus philosophischer und physikalischer Sicht begründen kann. Dazu skizzierte sie bestimmte Vorstellungen der Wissenschaftsphilosophie zu der Frage, was eine Wissenschaft erklären kann und was Erklärung überhaupt bedeutet. Denn das ist heutzutage eine wichtige Frage in der Physik, so die Vortragende. Mit Verweis auf die semantische Unterscheidung zwischen was und warum bezog sich Dr. Doicescu vor allem auf den deutschen Philosophen Carl Gustav Hempel, der Mitte des vorherigen Jahrhunderts zusammen mit Paul Oppenheim das deduktiv-nomologische Modell (DN-Modell) der wissenschaftlichen Erklärung entwickelt hatte und damit eine breite Diskussion auslöste, die bis heute andauert.

Dem DN-Modell stellte Dr. Doicescu das intutiv-statistische Erklärungsschema (IS-Modell) gegenüber. Mit Verweis auf den 1956 in Graz geborenen Philosophen Gerhard Schurz sprach sie vom wissenschaftlichen Erklären als einer hochkomplexen Erkenntnisleistung, an der eine Reihe einfacher Erkenntnisleistungen wie Deduktion, Wahrscheinlichkeit, Relevanz, Voraussage, Kausalität und so weiter beteiligt sind. Schurzens allgemeine Theorie des Verstehens und Erklärens braucht laut der Referentin zu viele Begriffe. Sein Formalismus werde immer komplexer, um diese Tatsache zu erklären. Dadurch werde das DN-Modell unökonomisch und reiche hinsichtlich der Physik nicht aus. Letztere benötige bekanntermaßen statistische Erklärungen, ergänzte sie.

Zu den komplexen Begriffen gehöre auch der Begriff der Wahrheit. Aber in der Physik könne man streng genomnne nicht behaupten, etwas Wahres herausgefunden haben. Man könnte unter Berücksichtigung vieler Akzeptanzbedingungen etwas als gut bestätigt bezeichnen. Die Wahrheitsbedingung ist im induktiv-statistischen Modell nicht erfüllbar.

Deduktiv-nomologische Erklärungen lassen sich auch "nicht adäquat als ein Grenzfall probabilistischer Erklärungen mit der Wahrscheinlichkeit eins begreifen". Das ist für die Physik wichtig, so Dr. Doicescu. Zwar sind Hempels Kriterien wie Relevanz, Überprüfbarkeit und Berufung auf Gesetze in der Physik theoretisch gegeben, aber in der Praxis verbindet die empirisch-mathematische Ebene eine Art Erklärungstextur. Man springt eigentlich immer zwischen der realen Ebene, der angenommenen und vermuteten realen Ebene und der Repräsentationsebene hin und her. Außerdem sind in der Physik die Theorien "unterbestimmt", was bedeutet, daß empirisch äquivalente, aber ontologisch nicht verwandte Theorien grundsätzlich möglich sind.


Von einem Punkt aus gehen Bündel mit feinen gelben Linien ab, die meisten gerade, einige im Kreis führend. Zahlreiche blaue, rote und gelbe Punkte, die sich in der Mitte des Bildes verdichten, bilden den Hintergrund der Darstellung, Oktober 1997 - Bild: © Lucas Taylor/CERN

Simulation eines Higgs-Bosons, das in zwei Hadronen und zwei Elektronen zerfällt. Die Linien repräsentieren die möglichen Teilchenwege durch die Proton-Proton-Kollision in dem CMS-Detektor des Large Hadron Collider (LHC) am Forschungszentrum CERN. Die von den Teilchen abgegebene Energie ist in blau dargestellt.
Bild: © Lucas Taylor/CERN

Als Beispiel einer physikalischen IS-Erklärungsstruktur führte Dr. Doicescu die Theorie, Messung und Interpretation des Higgs-Teilchens [1] an. Im Standardmodell werden alle Kräfte durch den Austausch sogenannter masseloser Teilchen (sogenannte Eichbosonen, zu denen Photonen und Gluonen gehören) dargestellt. Das Problem ist, daß die meisten Teilchen entgegen dem experimentellen Befund in der Theorie masselos sind. Um die innere Konsistenz der Theorie zu wahren, wird das sogenannte Higgs-Feld eingeführt, welches seinerseits eine scheinbar überzählige komplexe Variable enthält. Dieser entspricht das Higgs-Boson welches am CERN [2] nachgewiesen bzw. rekonstruiert wurde. Dr. Doicescu nannte die theoretische Erklärung in ihren Slidern äußerst unanschaulich. Erst durch die Einführung einer Wechselwirkung mit dem Higgs-Äther wurde die "Massifizierung" plausibel gemacht.

Mit freundlicher Genehmigung von Prof. Markus Schumacher (LHC / Uni Freiburg) führte Dr. Doicescu an, daß am Large Hadron Collider (LHC) bei 1.000.000.000.000 Kollisionen nur ein Higgs-Teilchen detektierbar war. Dieses wiederum verfiel innerhalb von 0,000.000.000.000.000.000.000.15 Sekunden. Das Signal "Messung eines Higgs-Teilchens" mußte erst aus einer unglaublich komplexen Datenmenge herausgerechnet werden, indem bekannte Ereignisse aussortiert wurden. Damit stellte sich das Erklärungsproblem, daß die Detektion, die Beobachtung und der Rückschluß auf das Higgs-Teilchen erst nach einem statistischen Kraftakt gelang. Dazu schreibt Schumacher laut Dr. Doicescu:

"Mit Hilfe der statistischen Datenanalyse rekonstruieren wir Ereignisse, welche hinreichend relevante Indizien auf das Vorhandensein eines Teilchens liefern, von dem wir aus gutem Grund denken, daß es es das vom Brout-Englert-Higgs-Mechanismus prognostizierte Higgs-Boson war."

Als Fazit ihrer Untersuchungen und der Einsicht, daß es noch viel zu erklären gibt, schlug Dr. Doicescu vor, daß Physik und Philosophie miteinander reden und dazu eine gemeinsame Sprache entwickeln. Der Dialog von Physik und Philosophie soll an tradierte Ideenlinien anknüpfen und damit die weltbildgebende Funktion der Physik sichern. Die Ausgangslage ist laut Dr. Doicescu gut, denn die innere Struktur der Physik ist "elastisch", ein Paradigmenwechsel ist jederzeit möglich.

Nach Angaben von CERN wurde am 4. Juli 2012 ein Higgs-Teilchen in Übereinstimmung mit der Vorhersage des Standardmodells [3] gemäß dem Brout-Englert-Higgs-Mechanismus entdeckt. Andere Typen von Higgs-Teilchen würden von anderen Theorien vorhergesagt, die über das Standardmodell hinausgehen, heißt es in der Mitteilung.

Im Anschluß an ihren Vortrag ging Dr. Irena Doicescu auf einige Fragen des Schattenblicks ein.


Datenzentrum des CERN mit mehreren Reihen von Servern, 9. März 2016 - Foto: Tamiroz, freigegeben als CC BY-SA 4.0 [https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/deed.de] via Wikimedia Commons

Der "Nachweis" eines Higgs-Boson ist erstens eine Frage der Rechenleistung ...
Foto: Tamiroz, freigegeben als CC BY-SA 4.0 [https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/deed.de] via Wikimedia Commons

Schattenblick (SB): Die ursprüngliche Äthertheorie war eine des Lichttransports, die letztlich nicht bestätigt werden konnte. In Ihrem Vortrag haben sie die Wiederkehr des Ätherkonzepts angesprochen. Könnten Sie erläutern, inwiefern das Ätherkonzept wiederkehrt?

Dr. Irena Doicescu (ID): Als Äther bezeichnet man ein Medium, mit dem alles wechselwirkt. Die ursprüngliche Äthertheorie hatte in der Physik lange Bestand und wurde erst durch das Michelson-Morley-Experiment widerlegt. Daraufhin wurde sie einfach fallengelassen, man hatte das Konzept nicht mehr gebraucht. Es ist aber in der Physik oft so, daß alte Konzepte quasi im Untergrund verschwinden und dann auf einmal wieder als Platzhalter oder Bausteine in bestimmten Erklärungstexturen notwendig werden. Auf das Konzept des Äthers greift man nun wieder in der modernen Physik zurück, um die Entstehung der Masse der Teilchen durch das Higgs-Feld zu erklären. Es stellte sich einfach heraus, daß man dafür wieder ein dem Äther ähnliches Konzept braucht. Es ist natürlich nicht der Äther, den man einmal hatte, sondern es ist etwas Neues. Aber der Gedanke dahinter ist ähnlich. Das heißt, Erklärungsstrategien bleiben oft erhalten, wenngleich in unterschiedlicher Ausgestaltung je nach physikalischer Erfordernis.

SB: Haben Sie den Eindruck, daß in der Physik eine Wiederkehr ursprünglicher Konzepte in einem neuen Gewand häufiger vorkommt?

ID: Ja, das ist wahr. Hinsichtlich des Higgs-Konzepts sind die Forschungsprogramme, die sich mit Fragen, was die Wissenschaft überhaupt erklären und was ich über die Welt lernen kann, systemische Programme. Und auch das ontologische Programm, woraus die Welt eigentlich besteht, wird fortgeführt. Es sind Gedanken, die Jahrtausende alt sind. Bloß treten in jeder Epoche verschiedene Komponenten in den Vordergrund und andere ein bißchen in den Hintergrund.

Ich möchte als Beispiel den starken experimentellen Nachweis nennen. Das Bemühen darum war in der neueren Zeit, das heißt im 18. und 19. Jahrhundert, besonders stark ausgeprägt. Daher kommt auch die, man kann sagen, Besessenheit von quantitativen Aspekten, bei der man meint, etwas mit so und so vielen Nachkommastellen messen zu müssen, weil das gute Physik wäre. Das hängt natürlich damit zusammen, daß die experimentellen Techniken dazu überhaupt erst zur Verfügung stehen mußten.

Demgegenüber war einem antiken Philosophen bewußt, daß er die Atome nicht sehen konnte. Dann konnte er natürlich nicht beweisen, daß es Atome gibt. Aber die Hypothese hatte trotzdem ihre Richtigkeit. Heute schafft man mit dem Rastertunnelmikroskop oder mit den Rastersondentechniken tatsächlich Abbilder, wo man eigentlich kein reales Bild hat. Man rekonstruiert die Informationen, die mir die Atome tatsächlich liefern. Dann kann man sehr schön zum Beispiel an Goldatome auf einer Siliziumoberfläche sehen. Das ist tatsächlich die experimentelle Bestätigung. Das ist auch sehr wichtig.

Ich habe die weltbildgebende Funktion der Physik erwähnt. Ich denke, es ist wichtig, diese bleibenden Hintergrundgedanken und Erklärungsstrategien herauszuschälen, damit die Physik auch dann als weltbildgebend akzeptiert wird, wenn es zum Beispiel zu einer Durststrecke kommt. Jetzt haben wir diese Durststrecke.

Ich habe in meinem Vortrag gezeigt, warum es so schwierig war, dieses Higgs-Teilchen nachzuweisen. Das war ein statistischer Kraftakt. Es ist nicht etwas, was ich wirklich greifbar habe. Ich muß irgendwie daran glauben. Mit der Stringtheorie verhält es sich auch so, daß man sie nicht experimentell bestätigen kann. Dennoch zeigt die innere Entwicklung dieses Ansatzes, der streng wissenschaftlich motiviert ist und streng mathematisch fortgeführt wird, daß es in die richtige Richtung geht. Aber das ist sicher ein schwieriges Erklärungsschema, weil man das letztendlich nicht experimentell überprüfen kann. Diese Strings leben auf der Planck-Länge, das sind 10-35 Meter. Dazu gehören sehr hohe Energien. Diese kann man zwar theoretisch produzieren, aber man kann sie nur sehr schwer auf diese Länge konzentrieren. Daher sind die experimentellen Nachweise noch nicht in greifbarer Nähe.

SB: Beim Rastertunnelmikroskop beruhen Darstellung und Nachweis von Atomen auf einer Computer-Software, die jemand geschrieben hat. Besteht damit die Gefahr, daß das, was man sich vorstellt, durch den Computer wiedergegeben wird?

ID: Ja, es gibt in der Philosophie den Spruch "Unsere Theorien sind unser Filter zur Welt". Es ist natürlich etwas daran, daß es subjektive Konzepte sind. Allerdings läuft im Rastertunnelmikroskop eine Spitze über die Oberfläche, also ich untersuche schon die reale Substanz. Es kommt nicht darauf an, wie ich das färbe oder wie es gedacht wird oder wie hoch das Atom erscheint, denn ich merke einfach die Unterschiede im Tunnelstrom, wenn die Spitze die Oberfläche in einem Raster abtastet. Daraus rekonstruiert man die Topologie der Oberfläche. Das ist schon ein harter Beweis dafür, daß es diese Atome gibt. Alles, die Dimensionalität und die Anordnung der Atome, so wie sie sich aus der Quantentheorie ergibt, wird durch diese Bilder bestätigt.


Der Physiker Peter Higgs steht zwischen zwei haushohen Hälften eines mit zahllosen Kabeln und anderen Installationen bestückten Detektors, 4. April 2008 - Foto: Maximilien Brice/CERN

... zweitens eines gewaltigen apparativen Aufbaus ...
Foto: Maximilien Brice/CERN

SB: Die Existenz des Higgs-Teilchens wurde in langandauernder, vielleicht sogar jahrelanger Datenauswertung "bewiesen". Sehen Sie einen Erklärungsbedarf hinsichtlich der Methode?

ID: Ich denke schon, ja. Und zwar ist der Schwerpunkt dieser Tagung der AGPhil [4] Big Data. An der Uni Wuppertal gibt es die interdisziplinäre Forschergruppe The Epistemology of Large Hadron Collider. Da sind tatsächlich Philosophen beschäftigt, die eben diese Prozesse untersuchen sollen. Auf der anderen Seite, auf der der Physiker, arbeiten viele Personen an der sehr komplexen Struktur zur Datenaufnahme und -auswertung. Diese Teams tauschen sich untereinander aus und pflegen einen engen Kontakt. Natürlich weiß man schon, was man tut. Aber für einen Außenstehenden ist es sehr schwer, das nachzuvollziehen. Natürlich gibt es Erklärungsbedarf, und es wird alles hart hinterfragt. Die Kontrollmechanismen sind natürlich sehr stark etabliert. Viele sind vielleicht der Ansicht, die interessieren sich nicht für die Meinung des kleinen Menschen da draußen, aber man muß mal bedenken, diese Großforschungseinrichtungen verschlingen auch enorme Summen, und es gibt schon die Forderung von da oben, daß das ganze sinnvoll erklärt wird. Und hier sind Physiker und Philosophen gefragt.

SB: Werden die Philosophen direkt angefragt? Also nicht nur, daß man sagt, es sollte so sein, sondern innerhalb der Institutionen werden die Philosophen von den Physikern angefragt?

ID: Ja. Diese Forschergruppe, die ich erwähnt habe, ist meines Wissens nach ein singuläres Beispiel, wo man wirklich auf die grundsätzliche Frage eingeht, die ich auch meinem Vortrag vorangestellt habe: Wie kann die Philosophie der Physik konkret nutzen? Viele Physiker denken bei sich, die Philosophie ist ein schönes Hobby, damit kann man sich beschäftigen, die jungen Menschen lassen sich davon verführen, aber letztendlich ist sie nicht so relevant. Demgegenüber gibt es das Argument, daß die Philosophie durchaus die Möglichkeit enthält, die inneren Mechanismen der Physik abzubilden. Zum Beispiel enthält das induktiv-statistische oder deduktiv-nomologische Modell kleine logische Schemata, die nicht allgemeine Gültigkeit haben, aber die doch eine Menge zu verstehen helfen, wie die Physik funktioniert.

SB: War in dem ursprünglichen Postulat von Higgs das statistische Moment schon angelegt?

ID: Es ist natürlich so, daß diese Teilchen in physikalischen Experimenten grundsätzlich statistisch sind. Also Quantenmechanik ist grundsätzlich Statistik, das heißt, man summiert. Wir haben das große Schema mit den Ereignissen gesehen. Das war ein Wirrwar von Linien. Da muß man natürlich die einzelnen identifizieren, die für die jeweilige Fragestellung relevant sind. Dann berechnet man die Wahrscheinlichkeiten und schaut, ob die statistisch relevant sind. Es ist alles grundsätzlich statistisch, ja.

SB: Hatte Higgs schon angenommen, daß es einer großen Datenmenge bedarf?

ID: Das weiß ich leider nicht. Da müssen Sie einen Wissenschaftshistoriker fragen, der sich wirklich mit dieser speziellen Thematik befaßt. Der ganze Entwicklungsprozeß, was Higgs wußte, was er gedacht hat, ist mir nicht gegenwärtig.

SB: Vielen Dank, Frau Doicescu, für dieses Gespräch.


2013 verkündet CERN-Generaldirektor Rolf-Dieter Heuer (heute DPG-Präsident) den CERN-Teams des ATLAS- und des CMS-Instruments die Vergabe des Physik-Nobelpreises an François Englert und Peter Higgs - Foto: Maximilien Brice/CERN

... und nicht zuletzt des Konsenses in der Fachwelt, daß das seit langem Gesuchte tatsächlich nachgewiesen wurde
Foto: Maximilien Brice/CERN

Bisher im Schattenblick unter INFOPOOL → NATURWISSENSCHAFTEN → REPORT zur DPG-Frühjahrstagung in Bremen erschienen:

BERICHT/004: Die DPG stellt vor - Verantwortung der Wissenschaft ... (SB)
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29. März 2017


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