Reduction and Elimination in Philosophy and the Sciences

Die Nichtreduzierbarkeit der klassischen Physik auf quantentheoretische
Grundbegriffe
Helmut Fink, Erlangen, Deutschland
1 Optimistische Meta-Induktion
Die Geschichte der Physik ist eine Geschichte fortschreitender
Vereinheitlichung ihrer Grundbegriffe. Dies bedarf
sogleich der Erläuterung: “Grundbegriffe” sind hierbei nicht
unbedingt solche Begriffe, wie sie in einem Aufbau der
Physik nach Prinzipien des methodischen Konstruktivismus
am Anfang zu stehen haben, nämlich vorwissenschaftliche
Beobachtungen, lebensweltliche Handlungen
oder elementare Phänomene. Gemeint sind vielmehr die
Grundbegriffe “fertiger” Theorien, wie sie sich in einer
nachträglichen rationalen Rekonstruktion zeigen. Idealisierung
und Formalisierung haben zur Folge, dass diese
Grundbegriffe mathematische Begriffe mit physikalischer
Interpretation sind.
Die Vereinheitlichung der Physik ist eine
theoretische Vereinheitlichung. Die Phänomene bleiben
qualitativ verschieden, ihre Beschreibung offenbart jedoch
gemeinsame Strukturen. Je größer der Anwendungsbereich
einer physikalischen Theorie, desto größer die
Reichweite ihrer Grundbegriffe. Prominente Beispiele
solcher Grundbegriffe sind die Potentiale der
(“phänomenologischen”) Thermodynamik, der Massenpunkt
der klassischen Mechanik, die Felder des
klassischen Elektromagnetismus.
Umfassendere Theorien können speziellere
Theorien etwa als Spezialfall oder Grenzfall enthalten
(Scheibe 1997, 1999). Letztere sind dann auf erstere
“reduziert”, d.h. auf noch fundamentalere Grundbegriffe
zurückgeführt. Dabei kann ein “semantischer Rest”
bleiben, d.h. ein qualitativer Inhalt der spezielleren
Begriffe, der aus den umfassenderen alleine nicht
ersichtlich wäre. Dieser Rest darf jedoch zur Rahmentheorie
nicht in Widerspruch geraten. Beispiele für solche
“schwachen” Theoriereduktionen sind die Rückführung der
Wärme auf die Molekularbewegung oder der Lichtausbreitung
auf den Elektromagnetismus.
Künftige Fortschritte können aus der gegenwärtigen
Physik nicht induktiv erschlossen werden. Die ungeheure
Erfolgsgeschichte bisheriger begrifflicher Vereinheitlichungen
nährt jedoch die Hoffnung auf einen nächsten
Schritt. Die Vereinheitlichung ging bisher immer weiter. Es
ist daher vernünftig anzunehmen, dass sie es auch in
Zukunft tun wird. Diese Maxime bezeichnen wir als Prinzip
(oder Hypothese) der optimistischen Meta-Induktion. Sie
erscheint zumindest dort gerechtfertigt, wo keine offensichtlichen
ontologischen Schwierigkeiten lauern: im
Bereich der Theorienreduktion innerhalb der Physik.
Da es nur um Theorien geht, sollte das Verhältnis
zwischen den Gegenständen der Mathematik und den
Gegenständen der Empirie kein Hindernis für einzelne
Reduktionen bieten, denn es betrifft alle Theorien gleichermaßen.
Und da es nur um Physik geht, sollte die
Erklärungslücke zwischen materieller Konfiguration und
subjektivem Erleben kein Hindernis sein, denn die Qualia
aus der Philosophie des Geistes kommen in der Physik
gar nicht vor.
Die erfolgreichsten Rahmentheorien der modernen
Physik sind die klassische Physik (einschließlich spezieller
und allgemeiner Relativitätstheorie) und die Quanten-
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theorie (einschließlich Quantenfeldtheorien). Die klassische
Physik ist sicher nicht universell, wie ihr Scheitern bei
Quantenphänomenen zeigt. Ist die Quantentheorie
universell?
2 Hoffen und Bangen des Quanten-
Universalismus
Die elementaren Bausteine der Materie werden in quantentheoretischen
Begriffen beschrieben. Kernphysik, chemische
Bindung, Festkörperphysik, Optik ruhen auf quantentheoretischen
Erklärungen. Quantenphänomene können
zunehmend auch auf mesoskopischer und makroskopischer
Skala herbeigeführt werden. Information erscheint
in der Sprache der Quanteninformationstheorie in neuem
Licht. Empirisch wird die Quantentheorie überall bestätigt,
Grenzen ihres Anwendungsbereichs sind nicht in Sicht.
Der Formalismus der Quantentheorie ist mathematisch,
also abstrakt. Der Bezug des Formalismus auf die
(bzw. eine mögliche) äußere Realität, d.h. die Interpretation
der Quantentheorie, ist nicht so offensichtlich wie die
Interpretation der klassischen Theorien. Historisch prägend
war die Kopenhagener Interpretation. Sie betont die
klassische Beschreibung der experimentellen Anordnung,
bestehend aus Präparier- und Registrierapparat. Die
Quantentheorie ist in dieser Interpretation konzeptionell
nicht selbstständig. Sie scheint nicht auf eigenen Beinen
zu stehen, sondern auf klassischen Krücken.
Es war ein naheliegendes Unternehmen, die Grenzen
der Quantentheorie auszutesten.
Was in immer neuen Anwendungsfeldern gelang,
konnte die eigenen Grundlagen auf Dauer nicht aussparen:
eine rein quantentheoretische Beschreibung. Die Kopenhagener
Sonderstellung der Apparate erschien zunehmend
willkürlich, als historisches Relikt, bestenfalls von
pragmatischem Nutzen. Die Sonderrolle von “Messprozessen”
erregt Misstrauen, erscheint zunehmend angreifbar,
als interpretatorisches Kuriosum, schlimmstenfalls mit
anthropozentrischer Botschaft.
Die Theorie erlaubt die formale Einbeziehung der
Apparate, ihre Hinzunahme als weiteres Quantensystem,
ihre Ankopplung mit Verschränkungseffekt (“Prämessung”),
die Definition geeigneter Zeigerobservablen und
deren alleinige Betrachtung nach Ende der Messwechselwirkung.
Die Grundidee dieser Quantentheorie der Messung
ist alt: Sie geht auf John von Neumann zurück, der
sie als Konsistenztest der Theorie ansah. Zahlreiche formale
und begriffliche Verallgemeinerungen wurden seither
erarbeitet (Busch et al. ²1996), doch die Gesamtbilanz ist
ernüchternd: Messungen haben keine Ergebnisse, wenn
sie rein quantentheoretisch beschrieben werden!
Quantenzustände liefern Wahrscheinlichkeiten für
die möglichen Messwerte, und das beste, was man erzielen
kann, ist dass der Quantenzustand des Messapparats
für die jeweiligen Zeigerstellungen genau dieselben Wahrscheinlichkeiten
liefert. Das würde den Schluss von der
Zeigerstellung auf den gemessenen Wert am ursprünglichen
System erlauben — wenn es eine eindeutige Zeiger-