Die Naturgesetze im Fokus


Von Karl Sumereder

Was Naturgesetze sind und inwiefern sie existieren, ist ein endloses Thema und eine gleichermaßen spannende wie frustrierende Frage. Es gibt kaum ein umstritteneres Thema. Naturwissenschafter und Philosophen sind uneins, inwiefern Naturgesetze überhaupt existieren, welche Eigenschaften sie auszeichnen und was an ihnen entdeckt oder erfunden ist. Physiker versuchen, die Fundamente gleichsam immer tiefer zu legen und die Bausteine von Raum und Zeit zu finden. Die Naturgesetze bilden jedenfalls etwas Zwiespältiges. Einerseits sind sie die Basis für alles Geschehen im Universum, bis hin zu unserem Lebensalltag. Andererseits erzwingen sie dieses Geschehen auch und lassen sich nicht übertreten, wie die von uns gemachten Gesetze. „Mir ist bis heute kein noch so kompliziertes Problem begegnet, das nicht, richtig betrachtet, noch komplizierter wurde“, lautet ein treffendes Bonmot des amerikanischen Schriftstellers Poul Anderson. Es könnte kaum besser passen als zum Thema Naturgesetze. Die Entwicklung des Universums wird von Naturkonstanten, der Gravitationskonstante, der Feinstrukturkonstante, dem Massenverhältnis von Elektron zu Proton und der Lichtgeschwindigkeit gesteuert, die nach den bisherigen Messungen unveränderlich sind. Wären Naturgesetze und Konstanten nur geringfügig anders, wäre die Entwicklung großräumiger materieller Strukturen und damit auch von Leben nicht möglich. Wären etwa die elektrischen Kräfte nur minimal stärker als die Kernkräfte, gäbe es keine Elemente außer Wasserstoff. Ohne die Naturgesetze wäre jedenfalls nichts um uns herum so, wie es ist. Nicht nur, weil das Getriebe des Universums dann völlig anders oder gar nicht funktionieren würde. Gemäß Michael Hauskeller, University of Exeter, England („Ich denke, aber bin ich? Phantastische Reisen durch die Philosophie“, 2008), ist die Gesetzlichkeit der Naturereignisse aber nichts, was man an ihnen ablesen könnte. Naturgesetze seien seiner Ansicht nach letztlich nichts anderes als Denkgesetze oder nur als Denkgesetze verständlich, deswegen aber nicht weniger verbindlich für uns.

Der kosmische Code

Im naturwissenschaftlichen Weltbild wird alles Geschehen auf allgemeingültige physikalische Gesetzmäßigkeiten und Wechselwirkungen zurückgeführt. Dabei stellt sich die Frage: Evolvierten zuerst die Materie und danach die dazugehörigen Gesetze? Der Umweltgeochemiker und Ökologe Norbert Fenzl, Belém, Brasilien („System, Wirkungsfeld und Information“, Studienverlag Innsbruck- Wien, 1998) fasst die in der Literatur behandelten Phasenübergänge, die zu den bekannten vier großen Naturkräften, sowie zur Entkoppelung von Materie und Strahlung führten, in folgender Weise zusammen: Der „Urknall“ wird als eine Quantenfluktuation im kosmischen Vakuum erklärt. Dabei entsteht nicht weiter erklärbar an einem Punkt in diesem Vakuum eine Temperatur von etwa 1030 Grad Kelvin (= nach dem britischen Physiker Baron Kelvin benannte besondere Temperatureinheit). Zu diesem Zeitpunkt existiert nur ein einheitliches Kraftfeld. Etwa 10-23 Sekunden später zerfällt die ursprüngliche Einheitskraft in eine schwache elektrische und eine starke nukleare Bindekraft. In der Zeit von 10-11 Sekunden nach dem Urknall, bei 1015 Grad Kelvin, kommt es zur Protonen- und Neutronenbildung. Das heißt, die Bausteine von Atomkernen entstehen.

Schließlich etwa 1000 Jahre nach dem „Big Bang“ beginnen sich die Atome zu entwickeln. Eine Phase, die etwa 1 Million Jahre andauerte. Die Bildung von Atomkernen mit bereits relevanter Ruhemasse führte zur nächsten entscheidenden Ausdifferenzierung – der Gravitationskraft. Dies als Ausgangspunkt zur Bildung gigantischer Massenkonzentrationen, wie sie Galaxien darstellen.

Das universelle Wärmegefälle einerseits und die Herausbildung der vier grundsätzlichen Kräfte – Gravitation, elektromagnetische Kraft, schwache Kernkraft und starke Kernkraft – die allen strukturbildenden Prozessen im Kosmos zu Grunde liegen, gemeinsam mit dem kosmischen Auftreten der Quantenzahl Masse (damit der Faktor Arbeit = massestrukturierende Energie und gleichzeitig Raum-Zeit), spätestens 10-11 Sekunden nach dem „Urknall“ legten den Grundstein zur Evolution des Universums. Von allen Energieformen (Energie ist der allgemeinste Begriff für materielle Bewegung) ist die Wärme die ursprünglichste und allgemeinste, die grundsätzlich ungeordnete Bewegung erzeugt. Gemäß der Relativitätstheorie sind Energie und Masse gemäß der Formel: E = m.c2 verknüpft. Energie als solche ist eine Größe, die auf Grund der Zeitinvarianz (unabhängig von zeitlichen Verschiebungen) der Naturgesetze erhalten bleibt. Das bedeutet, die Gesamtenergie innerhalb eines geschlossenen Systems (Universum) kann weder vermehrt noch vermindert werden, sie ist nur umwandelbar.

Zur Geschichte über die Naturgesetze

Die Wissenschaftsgeschichte der Naturgesetze verlief sehr wechselhaft. Bestimmte Naturwissenschafter und Philosophen sind nach wie vor uneins, inwiefern Naturgesetze per se überhaupt existieren, welche Eigenschaften sie auszeichnen und was an ihnen denkerisch erfasst oder erfunden ist. Was also von der Mechanik unseres Zugriffs mitbestimmt wird. In der wissenschaftlichen Kontroverse geht es darum, ob und inwiefern Naturgesetze notwendig und real sind. Im früheren Weltbild der Mythen unterliegen die Naturvorgänge intelligenten, geplanten moralischen Ordnungen. Sie werden von Schicksalsgöttern überwacht und manchmal auch als Bestrafung eingesetzt. Später wurden auch moralische Gebote und politisch-soziale Verhältnisse danach beurteilt, ob sie mit dem „Naturrecht“ im Einklang stehen. In der Antike war laut Rüdiger Vaas („Der kosmische Code“, Bild der Wissenschaft 12/2003) noch nicht von Naturgesetzen die Rede, sondern von „Themis“ (Brauch, Gesetz), „Dike“ (Sitte, Gerechtigkeit, Strafe) und Vorsehung sowie dem „Logos“ (einer der Welt innewohnenden Vernunft). Nur drei physikalische Sätze waren damals explizit bekannt: Das Hebelgesetz, das optische Gesetz der Reflexion und das hydrodynamische Gesetz des Auftriebs. Aber weder Archimedes (287–212 v.u.Z.) noch andere nannten sie Naturgesetze. Man sprach in Anlehnung an die Mathematik von Prinzipien, Axiomen oder Theoremen. Das war selbst zu Zeiten Galileo Galileis (1564–1642) noch so. Der Kirchenvater Augustinus (354–430) hingegen sprach von Naturgesetzen als den Gewohnheiten göttlichen Handelns. Er betont allerdings, dass sie zu Gunsten besonderer Zwecke, etwa bei Wundern, jeden Augenblick verlassen werden können. Der Philosoph Giordano Bruno (1548 – 1600) interpretierte Naturgesetze als Anlage der Dinge im Geist Gottes und Gottfried Wilhelm Leibniz (1646–1716) als den unwandelbaren Willen Gottes.

Von Naturgesetzen im modernen Sinn sprach erstmals der Mathematiker und Philosoph René Descartes (1596–1650). Bedeutende Vorläufer dazu waren Leonardo da Vinci (1452–1519) und Johannes Kepler (1571–1630). Mit den Bewegungsgesetzen von Isaac Newton (1643–1727) hatte die Physik dann ihre bis heute übliche paradigmatische Form erreicht, nämlich die Unterscheidung von Naturgesetzen einerseits und Anfangs- oder Randbedingungen andererseits. Die Geschichte nahm dann mit dem Philosophen Immanuel Kant (1724–1804) eine originelle Wendung. In seiner „Kritik der reinen Vernunft“ stellte er das unaufgeklärte Alltagsdenken mit der Aussage, dass der Verstand seine Gesetze nicht aus der Natur schöpft, sondern sie dieser vorschreibt, auf den Kopf. Der Physiker Carl Friedrich von Weizsäcker (1912–2007) hat diesen Ansatz wieder aufgegriffen und versucht, die Quantenphysik auf Grundsätze zu stellen, die nichts als die Bedingungen der Möglichkeit physikalischer Empirie erklären. Manche Physiker und Philosophen sind dem allerdings nicht gefolgt.

Die Naturgesetze in der Diskussion

Es gibt keine Theorie der Naturgesetze, die nicht kontrovers ist. Alle haben Schwierigkeiten, sagt der amerikanische Philosoph Clifford A. Hooker mit seiner Feststellung: „So schnell, wie wir die Geheimnisse der Natur wissenschaftlich entwirren, so schnell wird die Natur unseres Verstehens selbst geheimnisvoll“. Immerhin streiten sich Philosophen und Naturwissenschafter über das Wesen oder den Status von Naturgesetzen und die Theorien, in die sie eingebettet sind, schon seit Jahrhunderten. Ob es jemals einen Konsens geben wird, ist fraglich. Es geht dabei nicht um akademische Wortspielereien und Begriffs-Elfenbeintürme, sondern um die Natur der Wirklichkeit und unsere Stellung darin. Auch Gerhard Vollmer („Bild der Wissenschaft“ 12/2003) macht kein Hehl aus der schwierigen Situation.: „Was ein Naturgesetz ist, kann nicht als abschließend geklärt gelten“. Naturgesetze müssen als wahr akzeptierbar sein, auch wenn sich ihre Wahrheit im strengen Sinne nicht beweisen lässt. Alles naturwissenschaftliche Wissen sei fehlbar, revidierbar und somit vorläufig. Naturgesetze sind, wie Albert Einstein (1879–1955) gesagt hat, „freie Erfindungen des menschlichen Geistes, die sich aber bewähren müssen, um danach und dadurch zu Entdeckungen zu werden“.

Die Positionen im Widerstreit

Gemäß Rüdiger Vaas („Bild der Wissenschaft“, 12/2003) glauben Realisten oder Platoniker als Verfechter der Notwendigkeitsthese (die Naturgesetze als Prinzipien regieren quasi die natürlichen Phänomene oder bringen sie hervor, das heißt, die Welt gehorcht den Naturgesetzen), dass Naturgesetze unabhängig von unseren Formulierungen existieren. Für manche Philosophen haben Naturgesetze einen platonischen Status und existieren gleichsam jenseits der raum-zeitlich-materiellen Welt. Die Gesetze der Natur und ebenso die mathematischen, gelten von jeher und nicht erst seit ihrer Entdeckung, schrieb der Logiker Gottlob Frege schon vor Anfang des 20. Jahrhunderts. Positivisten und Nominalisten hingegen sind davon überhaupt nicht überzeugt. „Ich stimme nicht mit Platon überein“ sagt der bekannte englische Physiker Stephen Hawking. „Physikalische Theorien sind nur mathematische Modelle, die wir konstruieren“. Der Philosoph Ludwig Wittgenstein (1889–1951) polemisierte im „Tractatus logicophilosophicus“, dass der ganzen modernen Weltanschauung die Täuschung zugrunde liege, dass die Naturgesetze die Erklärungen der Naturerscheinungen seien. Die Pragmatiker wiederum versuchen sich aus dem Streit herauszuhalten und sehen Naturgesetze als nützliche Hilfsmittel zur Beschreibung der Phänomene und beobachtbaren Regelmäßigkeiten, deren Realität sie nicht leugnen wollen. Die Instrumentalisten und Konstruktivisten sehen Naturgesetze als Mittel zur Beschreibung an. Im Gegensatz zu den Realisten, für die Naturgesetze unabhängig von uns existieren und wahr oder falsch sein können, sind sie für diese nur Werkzeuge und insofern praktisch oder unpraktisch, nicht aber wahr oder falsch. Die Kontroversen werden demgemäß so schnell nicht enden. Doch das ist laut Rüdiger Vaas nicht tragisch. Denn im Gegensatz zu vielen fruchtlosen Debatten in der Politik oder bei der Kunstbetrachtung und so weiter, bringe der Streit die Wissenschaft und Philosophie voran.

Ein Resümee

Wir sind zur Einsicht gezwungen, dass es im Universum und der uns bekannten irdischen Natur, der wir selbst angehören, eine Fülle von Erscheinungen und Phänomenen gibt, die sich unserem Denk- und Vorstellungsvermögen, der Anschaulichkeit für unseren Verstand und unserer Logik entziehen, obwohl an ihrer Realität nicht zu zweifeln ist. Dies bezieht sich auf die Entstehung, auf die Grenzen und das Schicksal des Universums, die Elementarteilchen, die dunkle Materie, Schwarze Löcher, positive und negative Materie, das Phänomen, dass Materie und Energie auf derselben Abstraktionsebene liegen. Es bezieht sich beispielsweise auf die scheinbar banale Erfahrung, dass die Verbindung der gasförmigen Elemente Wasserstoff und Sauerstoff als eine Lebensgrundlage die Flüssigkeit Wasser ergibt. Es bezieht sich auch auf das Auftauchen des Phänomens Leben. Des Weiteren auf die Rolle von Mutation und Selektion für die Weiterentwicklung, Rückbildung oder Stagnation von Lebensformen. Wir selbst sind ein winziger und zugleich irgendwie großer Teil der Welt, der Natur. Wir sind ihren „Gesetzen“ unterworfen und eingebettet in eine Entwicklung, von der wir so gut wie nichts wissen und auf die wir nicht den geringsten Einfluss haben. Wer für derartige Fragen nicht die Geduld, Energie oder Zeit aufbringen will, kann es mit dem britischen Essayisten und Historiker Thomas Carlyle halten, der sarkastisch meinte, dass er nicht den Anspruch erhebe, das Universum zu verstehen, denn es sei sehr viel größer als er selbst.

Bearbeitungsstand: Montag, 25. März 2013
 
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