Dossier: Physik und Philosophie

Fortschritt in der Physik lässt sich nicht bloß an neu­en Ergebnissen und Erkenntnissen festmachen, denn sie entwickelt sich auch methodisch weiter. Eine der spannendsten Neuerungen in dieser Hinsicht ist die Com­putersimulation (kurz: Simulation), die sich seit Mitte des 20. Jahrhunderts in immer mehr Teildisziplinen der Physik etabliert hat. Die Physiker Kurt Binder und Dieter W. Heer­mann sprechen in diesem Zusammenhang sogar von einer Revolution und behaupten, dass die Computersimulation die traditionelle Einteilung in experimentelle und theore­tische Physik obsolet macht ([1], S. 1). In jedem Fall wirft die neue Methode Fragen auf: Was tun wir eigentlich, wenn wir eine Computersimulation laufen lassen? Welchen Beitrag leistet sie zur physikalischen Forschung? In welchem Ver­hältnis steht die Computersimulation zu anderen Metho­den der Physik? Und wie glaubwürdig sind Simulationen?

Fragen wie diese beziehen sich nicht mehr auf die Ob­jekte physikalischer Forschung, sondern machen die Physik selbst zum Thema. Sie laden damit zu einer wissenschafts­philosophischen Diskussion über physikalische Methoden ein. In der Tat wird die Diskussion über die Simulation in der Wissenschaftsphilosophie seit zwei Jahrzehnten inten­siv geführt, z. B. [2, 3]. Dies wurde erforderlich, weil die Methode in den bisherigen Charakterisierungen des wis­senschaftlichen Vorgehens etwa durch Karl Popper, Tho­mas Kuhn oder auch die Bayesianische Erkenntnistheorie nicht vorkommt – zumindest nicht explizit. Hier möchte ich Einsichten aus der wissenschaftsphilosophischen Dis­kussion verwenden, um die oben genannten Fragen zu be­antworten. Dabei geht es teilweise auch um eine Bewertung von Simulationen. Ich starte jedoch mit einer Analyse des­sen, was unter der Bezeichnung „Simulation“ in der Praxis betrieben wird. (...)

Die Ontologie befasst sich in der Philosophie mit dem Seienden im allgemeinsten Sinne. Nach traditioneller Auffassung ist sie eine so allgemeine Disziplin, dass für sie keine speziellen wissenschaftlichen Einsichten eine Relevanz haben. Im Rahmen der Ontologie geht es beispielsweise ganz allgemein darum, was Eigenschaften und Dinge sind und wie sie zueinander stehen. Sind Eigenschaften Teile von Dingen? Aber wie könnten dann zwei verschiedene Dinge dieselbe Eigenschaft haben? Und wieso sagen wir manchmal, dass Dinge (wie etwa Menschen) sich verändern und trotzdem ihre Identität beibehalten, und manchmal, dass Dinge durch Veränderung aufhören zu existieren, wie etwa beim Schmelzen eines Eiswürfels? Wie immer man diese Fragen beantworten möge, die Antworten scheinen nicht davon abzuhängen, welche Eigenschaften und Dinge es konkret in der Welt gibt. Denn das sind zufällige Tatsachen, die auf allgemeine Überlegungen keinen Einfluss haben können – so wie es auch für die Arithmetik keine Bedeutung hat, welche Dinge zahlenmäßig erfasst werden.

Doch immer wieder haben Ergebnisse der empirischen Wissenschaften, nicht zuletzt in der modernen Physik, angebliche Denknotwendigkeiten ins Wanken gebracht: Raum und Zeit sind nicht notwendig eukli­disch, Kausalität impliziert doch keinen Determinismus, oder zwei Dinge (wie Elektronen) können in allen Eigenschaften übereinstimmen und trotzdem nicht ein und dasselbe Ding sein. Angesichts solcher Erfahrungen ist in der so genannten analytischen Ontologie heute die Ansicht verbreitet, dass eine Berücksichtigung aktueller naturwissenschaftlicher Erkenntnisse unverzichtbar ist. Die Ansätze der Ontologie müssen sich im Lichte dieser Erkenntnisse bewähren. (...)

Sehen Sie Atome? Diese Frage stellte Hans-Joachim Güntherodt (1939 – 2014), der Basler Pionier der Rasterkraftmikroskopie, oft seinen Mitarbeitern beim Laborrundgang. Sie hatte nicht nur in den ersten Jahren nach der Einführung dieser experimentellen Methode ihre Berechtigung, sondern führt auf ganz grundsätzliche Aspekte. Diese lassen sich an einem aktuellen, sehr erfolgreichen Experiment diskutieren, bei dem ein einzelnes Pentacen-Molekül mit einem Rasterkraftmikroskop untersucht wird. In der Darstellung und Interpretation seines Ergebnisses (Abb. 1) greifen Schönheit der Darstellung, Klarheit der Aussage und konzeptionelle Verwirrung unmittelbar ineinander. Es stellen sich verschiedene Fragen, zum Beispiel ob die Einfärbung der Messergebnisse angemessen ist. Welchen Glauben an die Existenz von Atomen setzt es voraus, diese als schillernde Kugeln darzustellen? Ausgehend von diesen Fragen möchten wir hier zeigen, was Philosophen und Physiker in den gemeinsamen Blick nehmen können, um Grundsätzliches über Sehen und Abbilden in der Naturwissenschaft zu lernen.

Doch zunächst zur Funktionsweise eines Rasterkraftmikroskops: Dieses fährt mit einer extrem feinen Spitze mit einem Radius von nur wenigen Nanometern die zu untersuchende Oberfläche ab. Anhand der gemessenen Kräfte, die auf die Spitze wirken, lassen sich die Wechselwirkungen zwischen Spitze und Probe kartieren. Regelt man den Abstand der Spitze so nach, dass eine konstante Kraft wirkt, kann man eine Karte der Oberflächenform aufzeichnen. Im einfachsten Fall berührt die Spitze in Kontakt dabei die Probe. Die repulsiven Kräfte zwischen Spitze und Oberfläche sind über die Verbiegung einer mikroskopischen Blattfeder messbar, die an ihrem Ende die Spitze trägt. Die Spitze fährt also im repulsiven Kontakt die Form der Oberfläche nach. Das Ergebnis der Messung ist eine Zahlenmatrix, welche die vertikale Position der Spitze als Funktion ihrer lateralen Position angibt. Daraus wird ein Bild erzeugt, in dem die vertikale Position als Farbe kodiert ist. Typische Farbskalen weisen höheren Zahlenwerten hellere Farbtöne zu. Kontraste werden eingestellt, indem der Farbverlauf an die Verteilung der gemessenen Höhenwerte angepasst wird. Der Farbverlauf ist in der Regel so gewählt, dass die topographischen Kontraste gut zu erkennen sind. Teilweise sind die Ergebnisse auch als berechnete Projektion einer dreidimensionalen Fläche dargestellt, wobei durch Beleuchtungs- und Schattierungs­effekte Details der Topographie noch deutlicher hervortreten (Abb. 1 und Beispiel im Infokasten).