Wissenschaftliche Theorien müssen an der Welt scheitern können. Aber ist dieser Anspruch vielleicht etwas altmodisch? Machen Stringtheorie und Multiversen nicht trotzdem Spaß? Ein Aprilscherz und seine Hintergründe.
Auch wenn die Stars von Big Bang Theory seit Jahren versuchen, das Gegenteil zu beweisen: Wissenschaftler sind nicht primär dafür bekannt, besonders lustig zu sein. Das mag mindestens zum Teil auch daran liegen, dass sie besonderen Spaß an Witzen haben, deren Verständnis bereits ein recht hohes Vorwissen erfordert, und die damit für Nicht-Wissenschaftler eher unlustig sind. Die Grenzen des wissenschaftlichen Witzes wurden mir selbst während des Physik-Grundstudiums zum ersten Mal bewusst, als ich erfolglos versuchte, mit außerwissenschaftlichen Freunden meine Freude an dem Mathematikerwitz “Sei Epsilon kleiner Null” zu teilen.
Ganz ähnlich verhält sich die Situation bei wissenschaftlichen Aprilscherzen (siehe Planckton: “April, April”). Beim Lesen der um den ersten April herum veröffentlichten Online-Publikationen auf arxiv.org ist es manchmal durchaus angebracht, auch auf Anomalien in Bezug auf die Autorennamen zu achten, um wirklich sicher zu gehen, dass man ein humoristisch gemeintes Paper nicht fälschlicherweise zu ernst genommen hat (oder anders herum, ein absurd klingendes aber eigentlich ernst gemeintes Paper fälschlicherweise als Aprilscherz liest). So bekam ich gestern von einem Kollegen, der mein Interesse für die Wissenschaftstheorie kennt, den Hinweis auf ein Paper mit dem Titel “A Farewell to Falsifiability” und folgendem Abstract zugesandt:
© Screenshot arxiv.orghttps://arxiv.org/abs/1504.00108Ein Aufruf also zum Kampf gegen wissenschaftlich bislang einflussreiche Konzepte wie Falsifizierbarkeit, Zuverlässigkeit bzw. Wiederholbarkeit, das Sparsamkeitsprinzip und das erfolgreiche Bestehen empirischer Tests, die in Zeiten der Stringtheorie und der Annahme von Multiversen offenbar überholt seien. Kurz gefasst argumentieren die Autoren folgendermaßen: würde Popper heute leben, hätte er selbst eingesehen, dass man Falsifikation heute nicht mehr braucht. Wiederholbarkeit ist auch kein aktuelles Kriterium mehr: eine Theorie muss nicht immer die gleiche Antwort auf die gleiche Frage geben. Schließlich hat das wiederholte Experiment der Schaffung eines Universums gemäß der Theorie der Multiversen 10 hoch 500 völlig verschiedene Universen geschaffen. Auch Ockhams Rasiermesser scheint veraltet, denn die Stringtheorie ist alles andere als sparsam und einfach mit ihren zusätzlichen Dimensionen und Universen. Abschließend müsse man sich heute von der fixen Idee lösen, nur nach korrekten Theorien zu suchen. Schließlich kann man manchmal viel mehr Spaß mit Theorien haben, die nicht zur Realität passen.
Veröffentlicht wurde dieses Paper unter anderem von Ali Frolop, dessen Name sich, Gott sei Dank, recht schnell als Permutation der Buchstaben von “April Fool” erkennen lässt, und der seit 2006 fast jedes Jahr ein April-Paper schreibt.
Das Gemeine an diesem (sehr unterhaltsam zu lesenden) Aprilscherz ist aber, dass er sich, obwohl er für viele gänzlich absurd klingen mag, auf eine tatsächliche, völlig ernst gemeinte Debatte bezieht, die von einigen theoretischen Physikern im letzten Jahr angestoßen wurde. Der auch als Blog- und Buchautor bekannte und am Caltech arbeitende Kosmologe Sean Carroll hatte 2014 für das Online-Magazin Edge.org Falsifizierbarkeit als diejenige wissenschaftliche Idee nominiert, die in den Ruhestand geschickt werden solle.
© Screenshot edge.orghttps://edge.org/response-detail/25322Als Begründung führt er an, dass dieses von Popper gut gemeinte Kriterium zur Abgrenzung der Wissenschaft von Pseudo-Wissenschaft heute in Bezug auf moderne physikalische Theorien zu dogmatisch (und damit letztendlich anti-wissenschaftlich) angewendet wird. Theoretische Entitäten wie beispielsweise Strings oder Multiversen würden damit vorschnell ausgeschlossen, obwohl sie möglicherweise eine zentrale Rolle für das Verständnis unserer Welt spielen. Stattdessen solle man lieber darauf achten, dass eine Theorie klar bzw. eindeutig (“definite”) und empirisch ist. Die Stringtheorie macht beispielsweise klare Aussagen darüber, dass Teilchen sich als Schleife oder Segmente eindimensionaler Fäden verhalten können, auch wenn wir dies vermutlich nie werden beobachten können. Dass eine Theorie “empirisch” ist, solle laut Carroll nicht mit Falsifizierbarkeit verwechselt werden. Die postulierte Existenz von Multiversen kann zwar nicht direkt überprüft werden, aber sie hilft dabei, andere empirische Beobachtungen zu erklären, wie zum Beispiel die enorme Diskrepanz zwischen der theoretisch vorhergesagten und der beobachteten Vakuumenergie, und kann daher empirisch gerechtfertigt werden. Sein Artikel schließt mit der Beobachtung, dass das Verhältnis zwischen Theorie und Daten ohnehin weit weniger eindeutig ist, als ein einfaches Bild der Falsifikation nahelegen könnte:
“But fitting models to data is a complex and multifaceted process, involving a give-and-take between theory and experiment, as well as the gradual development of theoretical understanding in its own right. In complicated situations, fortune-cookie-sized mottos like “theories should be falsifiable” are no substitute for careful thinking about how science works.”
Damit berührt Carroll einen Punkt, der auch in wissenschaftsphilosophischen Diskussionen als “Duhem-Quine-These” immer wieder angeführt wird: Falsifikation ist in ihrer Anwendung auf konkrete wissenschaftliche Theorien erheblich weniger einfach und klar, als man gemeinhin glauben möchte. Schließlich prüft man in einem Experiment nicht nur die fragliche Theorie, sondern gleichzeitig viele andere Theorien, beispielsweise die Theorie der genutzten Messinstrumente. Wenn ein experimentelles Resultat einer bestimmten theoretischen Vorhersage widerspricht, kann es daher prinzipiell auch immer an etwas anderem gelegen haben als an der geprüften Theorie (wie man zum Beispiel am lockeren Stecker und den daraus resultierenden, angeblich überlichtschnellen Neutrinos gesehen hat ). Auf der anderen Seite können “falsifizierte” Theorien immer so geändert werden, dass sie doch wieder mit den empirischen Befunden überein stimmen.
Als forschender Wissenschaftler weiß man allerdings auch, wie viel Energie und Aufwand investiert wird, um mit entsprechenden Unsicherheiten umzugehen und Uneindeutigkeiten in der Interpretation experimenteller Resultate aufzulösen. Das in der Renaissance etablierte Ideal, wissenschaftliche Theorien in engem Bezug zu empirischen Daten zu entwickeln, sitzt vielen Wissenschaftlern tief in den Knochen. Zu unrecht? Sollten wissenschaftsphilosophische Kriterien zur Definition von “guter” Wissenschaft tatsächlich als zeitabhängig angesehen werden? Sollten wir uns von der Falsifikation verabschieden?
© Screenshot nature.comhttps://www.nature.com/news/scientific-method-defend-the-integrity-of-physics-1.16535Im letzten Dezember meldeten sich in diese Diskussion hinein die Professoren George Ellis und Joe Silk im Journal Nature mit einem Kommentar zu Wort, um Poppers Erbe zu retten. Sie geben zu bedenken, dass die theoretische Physik zu einem Niemandsland zwischen Mathematik, Physik und Philosophie werden könnte, das nicht mehr die Anforderungen eines einzigen dieser Gebiete erfülle. Um ihre These zu untermauern, beschreiben sie zunächst die Stringtheorie. Diese enthält zwar prinzipielle empirische Tests, sie kann allerdings im Fall negativer Resultate, wie der Nicht-Detektion bestimmter postulierter Teilchen, einfach gerettet werden, indem die (nicht definitiv festgelegten) Massen der Teilchen in Energiebereiche verschoben werden, die man noch nicht testen kann. Ein davon unabhängiges, nicht-empirisches Argument, das laut Ellis und Silk von Anhängern der Stringtheorie angeführt wird, ist, dass es keine guten Alternativen für die Stringtheorie gäbe. Dieses Argument erscheint jedoch fragwürdig, denn schließlich können wir nicht wissen, welche uns unbekannten Alternativen es noch gibt. Es könnte außerdem auch einfach die Prämisse falsch sein, dass es eine “Theory of Everything” geben muss, die alle vier fundamentalen Kräfte vereinigen kann. Ein Blick in die Geschichte zeigt, dass elegante Ideen, sofern sie unabhängig von empirischen Daten entwickelt wurden, durchaus fehlgehen können. Ellis und Silk führen als Beispiele hierfür das geozentrische Weltbild, Lord Kelvins Wirbeltheorie und Fred Hoyles Steady-State-Theorie an. Gleichzeitig sind unsere heute erfolgreichen wissenschaftlichen Theorien diejenigen, die sich in zahlreichen empirischen Tests beweisen konnten. Wenn wir diese wissenschaftliche, empirische Praxis verlassen, könnte das laut Silk und Ellis gefährliche Konsequenzen haben:
“To state that a theory is so good that its existence supplants the need for data and testing in our opinion risks misleading students and the public as to how science should be done and could open the door for pseudoscientists to claim that their ideas meet similar requirements.”
© wikimedia commons, public domainÜberholt oder zu Unrecht missachtet? Popper und sein Falsifikationskriterium.Ellis und Silk warnen davor, dass mit einer unbedachten Herabstufung empirischer Kriterien innerhalb der Physik deren Ansehen in der Öffentlichkeit nachhaltig beschädigt würde. Diese Sorge ist wohl ernst zu nehmen und demonstriert den Bedarf an einer ernsthaft geführten, philosophischen Auseinandersetzung um die Grundprinzipien unserer Wissenschaften, die in befriedigender Art und Weise die moderne Physik mit einschließen können. Auf der anderen Seite muss man aber in jedem Fall zugeben, dass die Diskussion, so wie sie bisher geführt wurde, zumindest zu überaus amüsanten Aprilscherzen führen kann. Es wird spannend sein, zu verfolgen, wie die Debatte sich auch in ernsthafter Form weiter entwickelt.
Theorie zum Test
Wer eine Theorie mit Hilfe der sogenanten Pioneer-Anomalie testen möchte,
voila:
https://vixra.org/abs/1403.0949
[…] the beginning of this month, a blog hosted by the Frankfurter Allgemeine Zeitung* reported about a scientific april fool hoax: On the pre-publishing platform arXiv.org, the author […]
[…] als Aprilscherz? Planckton am 3. April […]
@ Uwe Bussenius
Die ART ist mitnichten nur reine Mathematik, denn das GPS-System würde gar nicht funktionieren, wenn die Flugbahnen nur mit dem Gravitationsgesetz von Newton berechnet würde. Selbstverständlich hat sich Albert Einstein darüber Gedanken gemacht, wie der Raum an sich zu erklären sei, und hat dazu den sogenannten “Äther” eingeführt. Tatsächlich ist die ART eine Erklärung dafür, warum es zum Gravitationseffekt kommt. Wenn die ART nur reine Mathematik wäre, bliebe die Frage, warum sie kongruent zu der mit einem völlig anderen mathematischen System erstellten Gravitationstheorie von Newton ist. Wenn die ART reine Mathematik wäre, so könnte sie nicht erklären, warum masselose Teilchen (Photonen) tatsächlich durch die Raumkrümmung abgelenkt werden, bzw. die Lichtgeschwindigkeit absolut und die Raumzeit relativ sein muss. Wenn Einstein die Gleichung des Schwerkraftgesetzes, millionenfach bestätigt, als die reine Mathematik angesehen hätte, dann gäbe es die ART nicht!
Zu Ihrer Knobelaufgabe: Was spricht dagegen, dass die Entität des Raumes aus der sogenannten dunklen Energie besteht, die nicht emergent reagiert und deshalb auch nicht nachgewiesen werden kann? Diese dunkle Energie bildet dem “Einsteinschen Äther” gleich die Struktur, Beschaffenheit und das Volumen des Raumes. Immerhin existiert die dunkle Materie, sie ist wohl gleichzeitig mit unseren Quanten entstanden sein, und sie wird sich nur mit einer Eigenschaft davon unterscheiden: der Eigenschaft zur Emergenz.
@Ina Ast
“Wenn die ART reine Mathematik wäre, so könnte sie nicht erklären, warum masselose Teilchen (Photonen) tatsächlich durch die Raumkrümmung abgelenkt werden, bzw. die Lichtgeschwindigkeit absolut und die Raumzeit relativ sein muss.”
1) Ein Photon ist Energie, Energie hat ein Volumen, das Vakuum besteht aus etwas, weil es Volumen aufweist, also braucht man eine Erklärung der Wechselwirkung Photon-Vakuum und die fehlt bis heute in der Physik. Nur Wechselwirkung führt zu Veränderung und auch die SRT erklärt absolut nicht, warum ein bewegter Körper der sog. Zeitdilatation unterliegt. Die RT ist nichts weiter als Mathematik, die man dem Experiment angepaßt hat. Ich verlange von der Physik ERKLÄRUNGEN, nicht nur Berechnungen, wenn ich die Natur verstehen möchte.
2)cVakuum = konstant dürfte falsch sein, weil das Vakuum eben kein homogenes Gebilde ist, sondern sich im Abstand einer sog. Masse verändert. Man kann den Radarechoversuch Shapiros ohne cVakuum=konstant berechnen, das funktioniert auch.
3) Zu Ihrer Knobelaufgabe: Was spricht dagegen,….
Sie können Annahmen treffen wie sie wollen, aber die müssen Hand und Fuß haben. Was soll ich mit Dunkler Energie, die man nicht nachweisen kann? Engel kann man auch nicht nachweisen, man kann nur dran glauben oder es auch sein lassen. Ich will wissen, wie die Wechselwirkung AB funktioniert, also brauche ich TECHNISCHE Modelle von A und B. Raumzeit ist kein Modell und Dunkle Energie ebenso, es sind Begriffe für Nichtwissen.
Am falschen Ast gesägt
Die moderne Wissenschaft setzt auf den Dualismus Natur ?= Mathematik = logisch nachvollziehbare Wahrheit. Alle mathematisch untermauerten (positiv falsifizierten) Theorien gelten als das wahre Wissen. Doch auch alle (mit kleinsten Ausnahmen wie Schrödingermodell für Wasserstoff) wahren Theorien gelten immer nur im Rahmen der Genauigkeit des momentan möglichen Messbereiches. Dies wird immer so bleiben, da die „Natur“ unendlich mannigfaltiger ist als jedes mathematisches System und nie vollständig beschrieben werden kann.
So schön die Stringtheorie auch ist, sie bleibt reine Fantasy, solange es nicht gelingt wenigsten einen kleinen Aspekt daraus gegen jede Falsifikation zu erhalten.
Es ist daher ein durchaus romantisches und menschliches Anliegen, wenn einige Personen aktiv darüber nachdenken, wie sie ihre Arbeit noch zu Lebzeiten als „die Wahrheit“ anerkennt sehen möchten. Leider ist die Falsifikation die Grundlage, die man als Wissenschaftler zuletzt aufgeben wird. Sie müssten also auch hier etwas kreativer werden…
Die Wissenschaftstheorie ist eine Methodenlehre zur Erstellung von Theorien in der Komplexität!
Die induktive und empirische Methode ist nur in einem stabilen Bezugssystem gültig, denn Abweichungen, die durch die Komplexität entstehen, können NICHT durch eine auf bisherige Erkenntnisse definiert werden. In der Komplexität ist jede Theorie nur vorläufig wahr (gültig), da sie nur in definierten Grenzen wahr sein kann. Grundsätzlich definiert die Wirklichkeit die Wahrheit der Theorien und nicht umgekehrt, so ist auch bekannt, das die Allgemeine Relativitätstheorie (ART)nicht in der Welt der Quanten gültig sein kann. Einzelne masselose Quanten krümmen keinen Raum, erst ab einer gewissen Anzahl von atomaren Verbindungen (Emergenz), kommt es zum Gravitationseffekt.
Einstein hat die ART eben nicht durch die empirische Methode erstellt, sondern durch die deduktive Logik, die den entscheidenden Vorteil besitzt, dass sie falsifizierbar ist. (Die Mathematik an sich ist nicht falsifizierbar, außerdem gibt es verschiedene mathematische Systeme, deshalb schrieb Einstein: Die Mathematik ist auf sich selbst bezogen immer sicher, aber bezogen auf die Wirklichkeit immer unsicher!). Deshalb konnten die Vorhersagen der ART durch das berühmte Experiment mit der Sonnenfinsternis auch erfolgreich nachgewiesen werden. Die Wissenschaftstheorie von Karl Popper ist übrigens nichts anderes als die Logik von Albert Einstein! Außerdem kann man sich mit ihrer Hilfe problemlos in sämtliche Wissensgebiete einarbeiten, weil man direkt erkennt, dass die meisten Probleme daher kommen, das linear, empirisch oder induktiv erstellte, in diesen Fällen unzweckmäßige Theorien auf eine komplexe Wirklichkeit angewendet werden: Z.B. Ökonomische Theorien ohne die Finanzwelt!
Die Methode der Falsifikation ist grundsätzlich in jeder Wissenschaft anzuwenden, deren Wissenschaftsgebiet komplex ist. So hat z.B. die medizinische Forschung zur Findung der besten Theorien für komplexe Erkrankungen, die Methode der Doppelblindstudien gefunden, die durch die obligaten Prüfgruppen eine dauernde Falsifikation darstellen. Letztendlich führt diese Methode zur Erstellung von zweckmäßigen Theorien immer zu einer schrittweisen Annäherung an die Wahrheit (oder in dem Fall: zur zweckmäßigsten Therapie), wohlwissend, dass niemals das EINE Medikament, z. B. gegen Krebs gefunden werden kann, denn dafür ist Erkrankung zu komplex. Die richtige Methode zeigt sich hier als deduktive Aussage mit ständiger Nachprüfung (durch die Statistik!).
Bezogen auf die Physik ist die Suche nach der “Theorie von Allem” schon deshalb absurd, weil sie ja die Einheitlichkeit der Wirklichkeit voraussetzen würde. Diese gehorcht aber in der Quantenwelt ganz anderen Gesetzen, die deswegen ganz anders sind, weil die Eigenschaften der Quanten, z.B. Welle-Teilchen-Dualismus, oder emergentes Verhalten, in unserer sogenannten Makrowelt nicht vorkommt. Für die Logik ist die Quantenwelt kein Problem, es ist logisch, das Wellen anderen Gesetzen gehorchen als z.B. Massen.
@ Ina Ast
Sie: “Die ART beschreibt die Raumkrümmung durch die Masse (Erde), die wiederum die Bahn (Geodäte) der Körper in einem bewegten Raum bestimmt……”
Ich will Sie ja nicht demotivieren, aber die ART ist nichts weiter als Mathematik, da sie weder den Raum noch die Masse erklären kann. Wenn der werte Herr Einstein den Raum mit Masse krümmt und nicht erklären kann, was Raum und Masse überhaupt sind, arbeitet er wie die Kirche auch mit Engeln. Auch deren Flugbahnen lassen sich ggf. mathematisch darstellen.
Aufgabe für Sie: Raum hat Volumen, Volumen ist ein Abstraktum einer physischen Entität, WAS bildet diese Entität? Gilt übrigens auch für Masse, auch die hat Volumen.
Viel Spaß beim Knobeln!
Solche Hilfskonstruktionen sind offenkundig nicht selten!
(“Die postulierte Existenz … kann zwar nicht direkt überprüft werden, aber sie hilft dabei,… zum Beispiel die enorme Diskrepanz zwischen der theoretisch vorhergesagten und der beobachteten [Werten] zu “erklären” …”). Gutwillig nimmt man gewöhnlich an, dass in Institutionen, die einen gewissen wissenschaftlichen Anspruch verkörpern, auch ernsthaft geforscht wird. Und dann stellt man ernüchtert fest, dass in einem wichtigen Modell des Instituts als zentrale Einflussvariable ein sog. “Krisenfaktor” implementiert ist. Nachforschungen, was es mit diesem “Faktor” auf sich habe, ergeben: die Variable ist empirisch nicht beobachtbar wird daher willkürlich nach Gutdünken gesetzt und jeweils so angepasst, dass das Modell den zahlenden “Abnehmern” gegenüber plausible, vermarktbare Ergebnisse produziert! KEIN Aprilscherz.
Physik als Wissenschaft
Hervorragend, um technische Entwicklungen damit zu fördern.
Nichtssagend, um die Welt damit verständlich zu machen. Warum? Die Physik verwendet einen ganzen Katalog von Begriffen, welche sie nicht auf eine Ursache zurückführen kann.
1. Raum
2. Masse
3. Zeit
4. Gravitation
5. Elektromagnetismus
6. Spin
7. Teilchen
8. Photon
9. Vakuum
10. Zeitdilatation SRT
und mehr.
Die Physik beobachtet, gibt dem Beobachtbaren Namen und weist experimentell Wechselwirkungen nach (jede Messung beruht auf einer Wechselwirkung). Aber bis heute ist sie nicht in der Lage zu erklären, was da wie wechselwirkt und warum. Solange Physiker nicht fähig sind einem Kind zu erklären, warum ein Apfel vom Baum fällt, sondern nur, wie er das tut, solange taugt die Physik nicht als Welterklärung, egal ob Universum oder Multiversen, Expansion oder keine. Vielleicht erwarte ich zuviel, aber ich hoffe auf ein Modell, welches all die oben genannten Begriffe mal auf eine gemeinsame Ursache zurückführt, beginnend mit den drei Begriffen Raum, Masse, Zeit.
Natürlich ist bekannt, warum der Apfel vom Baum fällt!
Wenn ich dies als Nicht-Physikerin erklären darf: Der Wahrheitsgehalt der Allgemeinen Relativitätstheorie (ART) ist größer als die Gravitationstheorie von Newton, weil sie eben erklärt, warum sich Massekörper anziehen. Die ART beschreibt die Raumkrümmung durch die Masse (Erde), die wiederum die Bahn (Geodäte) der Körper in einem bewegten Raum bestimmt. Wenn also der Apfel vom Baum fällt, verfolgt er nur seine Bahn, bis er dann von der Erde abrupt gestoppt wird!
Falsifikation
Diese Thematik ist wohl die grundlegendste, welche die Naturwissenschaften, insbesonders die Physik, heutzutage zu beschäftigen hat. Für mich hat jedoch der Anspruch von nicht mehr zwingend notwendigen Falsifikationsnotwendigeiten ein gewisses “Geschmäckle”. Gerade zu Occams Rasiermesser scheint die Stringtheorie die Toleranzgrenzen weit überschritten zu haben, was dann notwendigerweise zu “verzweifelten” Argumentationsketten führen muss. Meine Meinung.