Wasser als Vor-Bild zur Naturforschung

Von Gerhard Grössing, Wien

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1. Von Ebenen-Unabhängigkeit zu Ebenen-Verknüpfung

Die Entwicklung der theoretischen Physik im 20. Jahrhundert ist größtenteils durch eine streng reduktionistische Haltung charakterisierbar, die ein detailliertes Bild vom hierarchischen Aufbau der materiellen Welt geliefert hat. Obzwar immer wieder Bestrebungen nach der einen "Weltformel" (oder nach der Theory of Everything) zu registrieren sind, ist doch ein wesentliches Resultat der auf dieser Haltung gestützten Forschung in der Einsicht erkennbar, daß die physikalische Welt nicht radikal auf ein "fundamentales" Niveau reduzierbar ist. Vielmehr läßt sich jede hierarchische Ebene durch weitestgehend autonome Gesetzmäßigkeiten beschreiben, sodaß etwa das Verhalten von Molekülen praktisch unabhängig ist vom Verhalten auf der Ebene der Quarks, welche die Atomkerne dieser Moleküle konstituieren.[1]

Diese Ebenen-Unabhängigkeit ("level independence") erlaubt die Formulierung abstrakter Symmetrieprinzipien, die von vielen Physikern als die "tiefsten" oder "fundamentalsten" Naturgesetze angesehen werden. Allerdings ist ungefähr im letzten Viertel dieses Jahrhunderts auch klar geworden, daß Ebenen-Unabhängigkeit nicht einfach ein "Faktum der Natur", sondern zum Teil auch eine Konsequenz der streng reduktionistischen Ansätze ist.[2]

Werden diese Ansätze in dem Sinn "aufgelockert", daß auch ebenen-verknüpfende Phänomene berücksichtigt werden können, so eröffnen sich weite Forschungsgebiete, die z. B. unter Schlagwörtern wie Kollektives Verhalten, Emergenz oder Selbstorganisation in den letzten Jahren zu den bedeutendsten Umwälzungen des naturwissen-schaftlichen Weltbilds geführt haben. Auch in vielen physikalischen Einzeldisziplinen verschiebt sich der Fokus nunmehr deutlich auf ebenen-verknüpfende Phänomene, wie sie sich etwa in Fraktalen beziehungsweise in sogenannten Potenzgesetzen ("power laws") manifestieren. Damit wird unter anderem gezeigt, daß es eine Vielzahl von "skalen-unabhängigen" Prozessen gibt, d.h. von Vorgängen, deren physikalisches Prinzip dasselbe ist, ganz gleich ob sie sich etwa im Millimeter- oder im Kilometer-Bereich abspielen.

2. Vergleichbares Verhalten auf unterschiedlichsten Skalen

Selbst in Fällen ohne kausalen Zusammenhang zwischen den beobachteten Phänomenen läßt sich die Gültigkeit der gleichen physikalischen Prinzipien nutzbar machen. So basieren heute zum Beispiel Modelle zur Materieverteilung im Universum auf Gesetzen der Hydrodynamik, die ursprünglich beim Studium des Verhaltens von Wasser und anderen Flüssigkeiten ausgearbeitet worden waren: Die dramatischen Entwicklungen in der Kosmologie der letzten Jahre lassen sich am pointiertesten durch die Entdeckung der Fluktuationen in der kosmischen Hintergrundstrahlung illustrieren [Abb. 1].

Fluktuationen der kosmischen Hintergrundstrahlung
Abb. 1: Fluktuationen in der kosmischen Hintergrundstrahlung

Die Anisotropie dieser "Reststrahlung" aus der heißen Phase des Universums, ungefähr 200 000 Jahre nach dem "Urknall", ist Ausgangspunkt für Computermodelle, die die heute beobachtbare Galaxienverteilung im Universum auf Amplifikationen eben jener ursprünglichen Fluktuationen zurückzuführen trachten. [Abb. 2]

hydrodynamisches Model des frühen Universums
Abb. 2: Hydrodynamisches Modell des frühen Universums

Theoretische Grundlage dafür sind neben rein gravitativen Wechselwirkungen die besagten Gesetzmäßigkeiten der Hydrodynamik.[3]

Gastropfen im Helix-Nebel
Abb. 3: „Gastropfen“ im Helix-Nebel

Abb. 3 zeigt einen Ausschnitt aus dem sogenannten Helix-Nebel, in dem unterschiedlich heiße Gasschichten aufeinander treffen und "Tropfen" erzeugen, die einen Durchmesser von mehreren Lichtstunden besitzen (d.h. ein Mehrfaches des Durchmessers unseres Sonnensystems). Die physikalischen Prinzipien sind dabei dieselben wie bei vergleichbarer "Tropfen"-Bildung auf einer Skala von Millimetern. In Abb. 4a sehen wir die durch Wolkenformationen akzentuierten Strömungswirbel bei der Insel Guadeloupe (auf einer Skala von Kilometern), während Abb. 4b ganz vergleichbare Strömungsmuster auf einer Skala von Zentimetern zeigt.

Strömungswirbel bei der Insel Guadeloupe
Abb. 4 a: Strömungswirbel bei der Insel Guadeloupe

Strömungswirbel auf einer Skala von Zentimetern
Abb. 4 b: Strömungswirbel auf einer Skala von Zentimetern

Seit kurzem ist sogar eine "wundervolle Verbindung zwischen Quantentheorie und Astrophysik"[4] bekannt: Man ist nun in der Lage, kondensierte Wolken speziell präparierter Atome, sogenannte Bose-Einstein-Kondensate, zu erzeugen. Werden dazu Lithium-Atome verwendet, so zeigt sich, daß diese Kondensate nur bis zu einer Größe stabil bleiben, die etwa 1000 Atome beinhaltet. Bei weiterer Erhöhung der Anzahl der Atome kollabiert die Wolke: Das Gleichgewicht zwischen balancierenden attraktiven und repulsiven Kräften wird dadurch irreversibel zerstört. Stabilität und Kollaps von Lithium-Wolken reflektieren Bedingungen, die gleichfalls für die Stabilität von Sternen und deren Kollaps bei Supernova-Ausbrüchen verantwortlich sind: Das Equilibrium wird nur für fixe, wohldefinierte Bereiche in der Anzahl der atomaren Konstituenten beibehalten, andernfalls ergibt sich zwangsläufig ein Kollaps. Von Baeyers Konklusion mündet in der Vermutung, "daß die Wiederholung von Verhalten [auf unterschiedlichen Skalen] bedeutsamer ist als die Wiederholung von Struktur".[5]

Beugungsmuster der Meereswellen am „Spalt“ von Gibraltar
Abb. 5 a: Beugungsmuster der Meereswellen am „Spalt“ von Gibraltar

Weiters sei auf die Abbildungen 5 a und b hingewiesen: Abb. 5a zeigt die durch Gezeitenwirkung bei Gibraltar verursachten langwelligen Beugungsmuster am "Spalt" zwischen Atlantik und Mittelmeer (auf der Skala von 100 Kilometern), und Abb. 5b die Beugung von Wasserwellen am Spalt (auf einer Skala von Zentimetern).

Beugung von Wasserwellen am Spalt im Zentimeter-Bereich
Abb. 5 b: Beugung von Wasserwellen am Spalt im Zentimeter-Bereich

Auch die Beugung von Lichtwellen am Spalt erzeugt ein Muster wie in Abb. 5b. Die Gemeinsamkeiten zwischen Lichtverhalten und jenem von Wasserwellen sind damit aber noch lange nicht erschöpft. So zeigt Abb. 6 die Beugung von Wasserwellen am Doppelspalt, ganz so, wie sie auch für Lichtwellen illustriert wird. [Abb. 7].

Beugung von Wasserwellen am Doppelspalt im Zentimeter-Bereich
Abb. 6 b: Beugung von Wasserwellen am Doppelspalt im Zentimeter-Bereich

Schema der Interferenz von Wellen auf Quantenniveau
Abb. 7: Schema der Interferenz von Wellen auf Quantenniveau

Abb. 8 zeigt eine Synopsis der vorangegangenen Abbildungen und illustriert eindringlich die Anwendbarkeit hydrodynamischer Modelle auf praktisch allen Längenskalen. Dennoch ist die Ansicht heute weitverbreitet, daß das Wellenverhalten von Wasser und jenes von Licht (sowie von Quantensystemen allgemein) nichts miteinander zu tun habe, da letzteres nicht mehr durch "materialistische Konzepte" oder durch das Verhalten eines "Mediums" beschrieben werden könne, sondern einzig den abstrakten (und zum Teil scheinbar konterintuitiven) Prinzipien der Quantentheorie gehorche. Verfolgt man aber die Entstehungsgeschichte der Theorien über das Licht, so gelangt man auf eine andere Spur.

Anwendbarkeit hydrodynamischer Modelle auf praktisch allen Längenskalen, auch auf Quanten-Niveau
Abb. 8: Anwendbarkeit hydrodynamischer Modelle auf praktisch allen Längenskalen, auch auf Quanten-Niveau.

3. Analogien: Wasser und Licht

Wir verwenden häufig metaphorische Begriffe wie zum Beispiel Gedankenfluß, stream of consciousness, Hirnströme, elektrischer Strom, magnetischer Fluß, Lichtflut, oder Lichtermeer. Dabei fällt auf, daß sich das "Fließen" sowohl auf subjektiv erlebbare Prozesse wie Hirnvorgänge, Denken oder Bewußtsein, als auch auf objektivierbare elektromagnetische Erscheinungen beziehen kann. Schon bei den antiken Atomisten lassen sich entsprechende Analogien wie auch die Beziehungen zwischen "inneren" und "äußeren" Strömungen finden; bei Lukrez läuft Wahrnehmung sogar als ein medialer Prozeß zwischen Wahrnehmendem und Wahrgenommenem ab.[6] Lukrez, der die Tradition atomistischer Konzepte der Vorsokratiker (Demokrit, Leukipp) wiederaufnimmt und zu einem Höhepunkt antiker Naturphilosophie entwickelt, schreibt in De rerum naturae:

So sehr eilt von allen Dingen jedes im Flusse fort und wird überall nach allen Seiten entsendet, und nicht Säumen noch Rast ist gegeben dazwischen des Fließens, da wir ständig alles ja spüren und alles ja immer sehen, riechen und tönen hören wir dürfen und können.[7]

Man beachte, daß die Begründung für die anfangs aufgestellte Behauptung der "gleichsam wasserhaften"[8] Natur in der leiblichen Erfahrung verankert ist: Die Natur der Dinge ist derart, daß wir ständig von "Strömungen" umgeben sind, etwa in dem Sinn wie heute Hermann Schmitz vom "Atmosphärischen" der unmittelbaren leiblichen Erfahrung spricht - in Abgrenzung zu sprachlich reflektierten und fokussierten Wahrnehmungen an einem (auch am eigenen) Körper.[9] Ganz ähnlich beschreibt Lukrez aber auch physikalische Vorgänge, wie zum Beispiel die Wirkung des Magnetismus:

Wenn nun also des Eisens Natur, mitten inne gelegen, auf in sich nahm eine Anzahl der Körper des Erzes, geschieht es, daß ihn mit ihrem Fluß anstoßen magnesische Steine.[10]

Wenn wir also heute vom "magnetischen Fluß" sprechen, stehen wir in einer zweitausendjährigen Tradition, die in den Magnesia flumine saxa ihren Ausgang nahm.

Vor 500 Jahren war es Leonardo da Vinci, der diese Tradition fortsetzte, indem er auf die Gemeinsamkeiten der Dynamik von Wasserwellen und jener von wahrgenommener Strahlung sowie empfangenem Schall verwies:

...'Jede Einwirkung wird für eine lange Zeitspanne in dem Objekt aufrechterhalten, auf das eingewirkt wurde', wie an den Kreisen zu erkennen ist, die durch Aufschlag auf eine Wasseroberfläche erzeugt werden, und in den Wellchen und Wellen, die an einem Ort erzeugt und durch den Impuls des Wassers auf einen anderen Ort übertragen werden, ohne daß sie zerstört würden; und auch die Strahlung [lo sprendor] erzeugt den gleichen Effekt im Auge, und Schall [la voce] im Ohr.[11]

Sehr genau und zutreffend stellt Leonardo auch fest:

Zirkuläre Oberflächenwellen durchdringen einander als Impulse, nicht als Wasserkörper, denn das Wasser bewegt sich nicht wegen der Wellen von seinem vorherigen Ort, sondern es werden nur die Impulse übertragen.[12]

Leonardo studierte das Wasserverhalten in kleinen Gefäßen, wie auch in Flüssen oder im Meer, und er leitete aus diesen Beobachtungen erste Prinzipien über das allgemeine (ebenen-unabhängige) Wellenverhalten ab. Das Wellenverhalten, auch jenes von Strahlung, ist dabei nicht mehr bloße Metapher oder Analogie, da Leonardo die Wirksamkeit derselben fundamentalen Ursachen, d.h. universal gültiges Wellenverhalten, erkennt. Paul Valéry kommentiert einen weiteren Satz Leonardos und erläutert damit sein eigenes Konzept einer "Phantasielogik":

'Die Luft', sagt er [Leonardo], 'ist erfüllt von unendlich vielen geraden und ausstrahlenden Linien, die einander kreuzen und so miteinander verwoben sind, daß keine sich je der Bahn einer anderen bedient, und sie stellen für jeden Gegenstand die echte FORM ihres Grundes (ihrer Erklärung) dar.' (...) Dieser Satz scheint den frühesten Keim der Lichtwellentheorie zu enthalten, vor allem wenn man ihn mit einigen anderen über denselben Gegenstand vergleicht. Er vermittelt uns in anschaulicher Form das Gerüst eines Wellensystems, bei dem alle diese Linien Richtungen der Fortpflanzung sind. (...) Was hier vorliegt, sind nur ein paar Behauptungen, die intuitiv aus der Beobachtung der Strahlen, der Wellen im Wasser und der Klangwellen gewonnen sind.
(...) Die Erklärung hat hier noch nicht den Charakter einer wissenschaftlichen Maßnahme. Sie besteht lediglich im Herausstellen eines Bildes, eines konkreten geistigen Bezugs zwischen Erscheinungen oder - genauer gesagt - Bilderscheinungen. Leonardo muß sich über diese Art, psychisch zu experimentieren, im klaren gewesen sein, doch will es mir scheinen, als hätte in den drei Jahrhunderten, die seit seinem Tode verflossen sind, kein Mensch diese Methode erkannt, indessen alle sich - notgedrungen - ihrer bedienten. Ich glaube auch - vielleicht ist das sehr weit gegangen! -, daß die berühmte jahrhundertealte Frage nach dem Vollen und dem Leeren an das bewußte oder nichtbewußte Vorhandensein dieser Phantasielogik angeknüpft werden kann.[13]

Seit Descartes steht die Hydrodynamik im Zentrum mechanistischer Erklärungen der Natur, nun allerdings in scharfer Abgrenzung zu subjektiven Wahrnehmungen und leiblicher Erfahrung. Descartes nimmt an,

daß der ganze Himmelsstoff, in dem die Planeten sich befinden, nach Art eines Wirbels, in dessen Mitte die Sonne ist, stetig sich dreht ... (...) Denn so wie man in Flüssen, an Stellen, wo das Wasser in sich zurückkehrende Wirbel bildet, einzelne darauf schwimmende Grashalme sich mit dem Wasser zugleich fortbewegen sieht, andere aber sich um die eigenen Mittelpunkte drehen und ihre Kreisbewegung um so schneller beenden, je näher sie dem Mittelpunkte des Wirbels sind und obgleich sie immer nach Kreisbewegungen streben, doch niemals vollkommene Kreise beschreiben, sondern in die Länge oder Breite etwas davon abweichen; ebenso kann man sich dasselbe bei den Planeten leicht vorstellen, und damit allein sind alle Erscheinungen erklärt.[14] [Abb. 9]

Descartes’ hydrodynamisches Modell der Planetensysteme
Abb. 9: Descartes’ hydrodynamisches Modell der Planetensysteme

Obwohl in den konkreten Vorstellungen darüber, was Licht sei, unter den Physikern in den darauffolgenden Jahrhunderten beträchtliche Unterschiede bestanden, sind einander die Argumentationsweisen und die dabei verwendeten "bildlichen Phantasien" erstaunlich ähnlich. Hier einige Beispiele:

Huygens 1678: Wenn nun (...) das Licht zu seinem Wege Zeit gebraucht, so folgt daraus, daß diese dem Stoffe mitgeteilte Bewegung eine allmähliche ist, und darum sich ebenso wie diejenige des Schalles in kugelförmigen Flächen oder Wellen ausbreitet: ich nenne sie nämlich Wellen wegen der Ähnlichkeit mit jenen, welche man im Wasser beim Hineinwerfen eines Steines sich bilden sieht....[15]

Newton 1704: ...daß ebenso, wie auf Wasser fallende Steine dasselbe in Wellenbewegungen versetzen und alle Körper durch Stöße Schwingungen in der Luft erregen, ebenso die Lichtstrahlen, die auf eine brechende oder reflektierende Fläche fallen, in dem brechenden oder reflektierenden Medium Schwingungen hervorrufen und ... diese ... sich ungefähr auf dieselbe Weise fortpflanzen, wie die Schwingungen in der Luft, wenn sie Schall erregen....[16]

Young 1801: Nehmen wir an, ein Zug gleichartiger Wellen auf der Oberfläche eines stehenden Gewässers pflanze sich mit konstanter Geschwindigkeit fort und ... eine ähnliche Ursache rege einen weiteren, ähnlichen Wellenzug an. (...) Nun behaupte ich, daß es zu ebensolchen Effekten kommt, wenn auf dieselbe Art zwei Wellenzüge des Lichts vermischt werden, und ich will dies das allgemeine Gesetz der Interferenz des Lichtes nennen.[17]

Fresnel 1822: Das Licht ist nichts anderes als ein bestimmter Schwingungszustand einer universellen Flüssigkeit.[18]

Ein universelles, alles durchdringendes "Medium" stand im 19. Jahrhundert unter dem Begriff des Äthers für die Bemühungen der Physiker, alle elektromagnetischen Phänomene in einer "hydrodynamischen" Theorie zu erklären. Es sei hinzugefügt, daß selbst Lord Kelvin zu Ende des 19. Jahrhunderts behauptete, daß von einer physikalischen Erklärung nur dann gesprochen werden könne, wenn mit Materieformen gearbeitet würde, die den Gesetzen der Hydrodynamik genügten.[19]

Die herkömmliche Geschichtsschreibung vertrat zumeist die Ansicht, daß zu Beginn des 20. Jahrhunderts das Äther-Konzept durch Quantentheorie (ab 1900) und Relativitätstheorie (ab 1905) ein für allemal aus dem wissenschaftlichen Diskurs eliminiert worden sei. So sei der negative Ausgang des berühmten Michelson-Moreley-Experiments einerseits als Widerlegung jeglicher Äthertheorie und andererseits als historischer Impulsgeber für einen neuen Raum-Zeit-Begriff ohne Äther zu interpretieren. Diese Auffassung gilt heute als widerlegt.[20] Auch hatte Albert Einstein bereits im Jahre 1920 ein (erneuertes) Äther-Konzept vorgelegt [21], das auf das Engste mit dem Raum-Zeit-Kontinuum der Relativitätstheorie zu verbinden wäre. In der Quantentheorie stammt eine der frühesten physikalischen Interpretationen der Schrödinger-Gleichung von Madelung (1926), der eine hydrodynamische Erklärung vorschlug.[22] Demnach erfüllt die sogenannte Wahrscheinlichkeitsdichte r eine "Stromerhaltungsgleichung", und in der klassischen Euler-Gleichung wäre nur der Term für den Drucktensor p dij durch einen die Äther-Flüssigkeit beschreibenden Tensor sij zu ersetzen, um vollständige Übereinstimmung mit der Schrödinger-Gleichung zu gewährleisten.

Madelungs Ansatz ist ein Vorläufer der sogenannten "kausalen Interpretation" des quantenmechanischen Formalismus, die David Bohm 1952 (basierend auf Arbeiten Louis de Broglies aus 1926) im Physical Review veröffentlicht hatte.[23] Diese Arbeiten wurden lange Zeit nicht zur Kenntnis genommen, bis sich John Bell - dessen berühmte Ungleichungen aus 1964 wesentlich zur Akzeptanz der sogenannten "Nichtlokalität" der Quantentheorie beitrugen - in den 80er-Jahren vehement dafür einsetzte.[24] Heute beschäftigt sich eine wachsende Anzahl von Quantenphysikern mit der Theorie Bohms und seiner Mitarbeiter bzw. Nachfolger.[25] Allen genannten Ansätzen liegt die Hypothese zu Grunde, daß die nichtlokalen (und damit höchst "nicht-klassischen") Quantenphänomene auf die Existenz und Dynamik eines Mediums zurückzuführen sei, das manchmal als "Dirac-Äther" bezeichnet wird. Dieser Äther findet sich heute dort, wo früher vom "Vakuum" die Rede war, welches aber inzwischen aufgrund theoretischer und experimenteller Befunde als ein "Plenum" angesehen werden muß. Dieses wird nun nicht mehr als Trägermedium aufgefaßt, in dem sich das Licht fortpflanzt, sondern Licht- und alle anderen Quanten-Zustände werden als Schwingungsformen des Äthers selbst aufgefaßt. Da die Grundlagenfragen der Quantentheorie nach wie vor ungelöst sind, wird nach Phasen der formalen Elaboration und des (oft mit Irrationalismus gepaarten [26]) Pragmatismus nun vermehrt versucht, die Eigenschaften konkreter nichtlokaler Zustände zu erforschen und so auch - im Bild der kausalen Interpretation - diesem "Äther" auf Sub-Quantenniveau nachzuspüren.

4. Bilder und Vor-Bilder

In jeweils einem Kapitel seiner berühmten Lectures on Physics beschreibt Richard Feynman die Strömung von "nassem" und von "trockenem" Wasser.[27] Unter "trockenem Wasser" wird dabei eine idealisierte Flüssigkeit verstanden, die unkomprimierbar ist und keine Viskosität aufweist. Eine entsprechende "Hydrostatik" ist in gewissen Fällen tatsächlich anwendbar und vor allem auch ein brauchbares Analogiemodell für die Elektro- und Magnetostatik. Letztere sind als Grenzfälle einer allgemeineren Dynamik mathematisch auf exakt gleiche Weise zu beschreiben wie das "trockene Wasser". Feynman führt das Beispiel primär zu didaktischen Zwecken an, um diejenigen Fälle anzudeuten, in denen es sinnvoll ist, elektromagnetische Phänomene durch Flüssigkeitsströmungen zu illustrieren. Letztere geben also unter vorgegebenen Rahmenbedingungen ein metaphorisches Bild elektromagnetischen Verhaltens ab.

Wie steht es aber mit den im Kapitel 3 gegebenen Beispielen zur Modellierung von Lichtverhalten durch Wasserwellen? Liegt ihre Bedeutung ausschließlich in metaphorisch zu verstehenden Bildern, die in gewissen Grenzfällen als didaktische Hilfen herhalten können, darüber hinaus aber nichts über das gemeinsame Wesen der verglichenen Phänomene aussagen? Zunächst ist festzustellen, daß die oben zitierten Autoren eine ganz bestimmte Argumentationsweise verwenden. Sie haben noch kein exaktes, geschweige denn mathematisch ausformuliertes Bild zur Verfügung, welches das Lichtverhalten modellieren könnte. Vielmehr führen sie zunächst Beispiele aus der leiblichen Erfahrung an (Wasser als "kontinuierliches" Strömen, mitunter als wellenhaft "pulsierendes" Medium), und später Vergleiche mit Wahrnehmungen in der Natur (Wasser- oder Schallwellen), die durch das beobachtete Verhalten von Licht evoziert werden.

Daß dies aber einen entscheidenden Unterschied macht, kann schon aus obigem Zitat Paul Valérys aus dem Jahre 1894 über die geistigen Bildvorstellungen entnommen werden. In einem Kommentar zu eben jener Textstelle schreibt Valéry 1930:

Ich bleibe bei meinem Gefühl ihrer Bedeutung. Ich behaupte, daß gewisse mit diesen Erscheinungen verbundene Gesetze grundlegend sind und sehr weite Geltung haben; daß die Abwandlungen derartiger Bilder, die Einschränkungen derartiger Bildabwandlungen, das spontane Auftreten von Antwort- oder Komplementärbildern Welten miteinander zu verknüpfen erlauben, die so weit voneinander abliegen wie der Traum, der mystische Zustand, die Deduktion auf dem Wege der Analogie.[28]

Ich nenne solche der Valéryschen Phantasielogik entspringenden geistigen Bildvorstellungen kurz Vor-Bilder[29]: Zustände hermeneutischen Vorverständnisses aus dem Fundus eines auf ein zu beschreibendes oder zu erklärendes Phänomen ausgerichteten interpretativen Repertoires von Erwartungen. Dabei wird auf leibliche Erfahrungen und - mitunter unbewußte - Bilderreservoirs zurückgegriffen. In Erkenntnis und Irrtum beschreibt etwa Ernst Mach den Vorgang des Nachdenkens als Vorstellungs-Bewegung, und er gelangt im Kapitel mit der bezeichnenden Überschrift "Die Wucherung des Vorstellungslebens" zu folgendem Schluß:

Dem Begreifen der Natur muß aber die Erfassung durch die Phantasie vorausgehen, um dem Begriff lebendigen, anschaulichen Inhalt zu schaffen.[30]

Albert Einstein stellte diesbezüglich ganz allgemein fest:

Es ist mir nicht zweifelhaft, daß unser Denken zum größten Teil ohne Verwendung von Zeichen (Worten) vor sich geht, und dazu noch weitgehend unbewußt. (...)

Bezüglich des eigenen Denkmechanismus bemerkte Einstein dazu:

Die Wörter oder die Sprache, wie sie geschrieben oder ausgesprochen werden, scheinen keine Rolle in meinem Denk-Mechanismus zu spielen. Die psychischen Einheiten, die als Elemente beim Denken zu fungieren scheinen, sind gewisse Zeichen und mehr oder weniger klare Bilder, die 'willentlich' reproduziert und kombiniert werden können... Aber von einem psychologischen Gesichtspunkt scheint dieses kombinatorische Spiel die wesentliche Eigenschaft im produktiven Denken zu sein - noch bevor es irgendeine Verbindung mit logischen Konstruktionen in Worten oder anderen Arten von Zeichen gibt, die mit anderen kommuniziert werden können. Die eben erwähnten Elemente sind, in meinem Fall, von einer visuellen und muskelartigen Natur. Herkömmliche Wörter oder andere Zeichen müssen erst in einem zweiten Stadium mühsam gesucht werden, wenn das erwähnte assoziative Spiel sich hinreichend entwickelt hat und willentlich reproduziert werden kann.[31]

Auch Richard Feynman spricht von unklaren Visualisierungen im Laufe seiner Vorstellungs-Bewegungen:

...Visualization in some form or other is a vital part of my thinking and it isn't necessary I make a diagram like that. (...) It is very difficult to explain, because it is not clear. (...) I would see this jiggle-jiggle-jiggle, or the wiggle of the path or the influence functional: I see the coupling and I try. I make this turn - like as if there is a big bag of stuff and I try to collect it away and push it. It's all visual.[32]

Als letztes Beispiel sei noch die Bemerkung David Bohms über den "Akt der kreativen Wahrnehmung" in der Theoriebildung angeführt, der charakterisiert sei durch

...einen extrem perzeptiven Zustand angespannter heftiger Gemütsbewegung und hoher Energie [...an extremely perceptive state of intense passion and high energy].[33]

Vielleicht kann man als gemeinsamen Nenner dieser Aussagen von Physikern zur Kreativität von "konkreten Konzepten" sprechen, die erst in der nachfolgenden Analyse zu "abstrakten Konzepten" entwickelt werden können. Die Dichotomie konkret/abstrakt würde jedenfalls einen Hinweis auf unterschiedliche Funktionsweisen der Gehirnhälften - besonders im kreativen Akt - abgeben, wie sie für meine Definition des Vor-Bilds zu tragen kommen:

Ich verstehe unter einem Vor-Bild in der Theorie-Produktion eine strukturelle oder organisatorische Komplexion, die zur Erkenntnis anregt, indem sie sich erst über nicht-analytische Prozesse (wie z. B. Intuition) als "Gesamtschau" anbietet, bevor sie via verbal-analytische Denkprozesse zum expliziten "Ausdruck" kommen kann.[34]

Neurophysiologische Befunde der letzten Jahre sprechen für die Brauchbarkeit einer derartigen Definition. Joseph LeDoux unterscheidet etwa zwischen emotionalem und explizitem Gedächtnis, die weitgehend unabhängig voneinander operieren, und stellt als allgemeinstes Resultat seiner Forschungsarbeit fest: "Most of the mind doesn't work through consciousness".[35] Markante Unterschiede der Hemisphärenfunktion (nach Durchtrennung des hemisphären-verbindenden Corpus Callosum) wurden schon vor einigen Jahren im sogenannten "Chimärentest" mit Split-Brain-Patienten festgestellt.[36] Neuerdings können diese Unterschiede auch an "normalen" Personen studiert werden. Dazu bedient man sich der Methode, mittels "Positron-Elektron-Tomographie" die Durchblutungsaktivität verschiedener Gehirnbereiche bei Präsentation spezifischer Stimuli zu messen. Bei den Versuchen von J. S. Morris und anderen konnte nachgewiesen werden, daß die bekanntermaßen für die emotionale Verarbeitung von Sinneseindrücken "zuständige" Amygdala hemisphärenspezifische Funktionen erfüllt. (Amygdala, auch "Mandelkern: eine mandelförmige Region in den beiden Schläfenlappen als Teil des "limbischen Systems".) Bei einer unbewußten ("verdeckten") Wahrnehmung eines bedrohlichen oder verärgerten Gesichtes etwa, das den Personen 30 Millisekunden lang präsentiert wird, bevor sie für eine längere Zeitspanne ein Gesicht mit neutralem Ausdruck zu sehen bekommen, reagiert ausschließlich die rechte Amygdala, bei länger gezeigten und dermaßen nicht "verdeckten" oder "maskierten" bösen Gesichtern nur die linke.[37] Daraus ergibt sich, daß bewußte emotionale Reaktionen offenbar im linken Mandelkern stattfinden, unbewußte Reaktionen (sowie auch unbewußtes emotionales Lernen, wie sich herausstellte) im rechten. In einer weiteren Arbeit von Antonio Damasio und anderen konnte darüber hinaus gezeigt werden, daß und wie Versuchspersonen komplexe Lösungsstrategien zunächst unbewußt praktizieren, bevor sie sich ihrer bewußt werden und sie verbal erklären können: "Deciding advantageously before knowing the advantageous strategy", lautet der Titel ihres Artikels in Science.[38]

Angesichts dieser neuesten Befunde der Neurophysiologie einerseits und der Eigenbeobachtungen praktizierender Naturwissenschaftler andererseits kann man heute davon ausgehen, daß im Theoriebildungsprozeß hermeneutische Prototypen eine Rolle spielen, die ich allgemein als Vor-Bilder bezeichne und zu welchen sicherlich auch unser leiblich-imaginatives Wissen vom Wasser zu zählen ist.

5. Ausblick: Die Aktualität hydrodynamischer "Äther-Theorien"

Wenn heute vermehrt von einer "Wiederkehr der Elemente" die Rede ist[39], so bedeutet dies für die Physik auch eine Abwendung von herrschenden Dogmatismen, wie sie in ihren extremen Varianten als epistemologisch idealistische Auslegungen etwa in der sogenannten "Kopenhagener Interpretation" der Quantentheorie zum Ausdruck kommen. (Einflußreiche Vertreter dieser Richtung sind heute John Wheeler oder der deklarierte "Platoniker" Roger Penrose.) Jedes "Bild" von der Welt ist aber notgedrungen ein reduktionistisches und auch nur endlich "ausbeutbar". Im Zuge einer "Auflockerung der Systemstruktur" eines bestimmten Naturbildes wird die "Ausschöpfung der Systemleistung" deutlich, wie Hans Blumenberg am Beispiel der Kopernikanischen Revolution eindrucksvoll gezeigt hat.[40]

Ich meine, daß wir uns auch angesichts der Quantentheorie inmitten einer "Kopernikanischen Revolution" befinden, deren "Umwälzungen" derart tiefgreifend sind, daß zumindest Jahrzehnte notwendig sind, um sie in ihrer ganzen Tragweite zu erfassen und zu verstehen. Im Grunde handelt es sich heute um ein radikales Neuverständnis dessen, was überhaupt "Objekte" sind, beziehungsweise unter welchen Umständen man von solchen sprechen kann.[41]

Der Atomismus des 20. Jahrhunderts[42] war gekennzeichnet durch die Auffassung, daß die Materie ihrem tiefsten Wesen nach aus "kleinsten Teilchen" bestehe, deren Verhalten durch abstrakte Symmetrieprinzipien vorgegeben werde, und die Welt sich insgesamt als hierarchische Zusammenfügung solcher "lokaler" Teilchen präsentiere. Durch Vorantreiben gerade des atomistischen Programms mit immer feineren Analyse- und Meßmethoden jedoch ist dieses Bild gewissermaßen in sein Gegenteil "paradoxal umgekippt"[43]: So wurde etwa der diesjährige Nobelpreis "für die Entdeckung einer neuen Form von Quantenflüssigkeit mit gebrochen-zahlig geladenen Anregungen" an die Physiker Laughlin, Störmer und Tsui vergeben.[44] Besagte Quantenflüssigkeit ist inkompressibel, was zur Folge hat, daß bei sehr hohen Magnetfeldern und tiefsten Temperaturen sogenannte "Quasiteilchen" erzeugt werden, die im Grunde aber kleine "Wirbel" im magnetischen Fluß sind. Darüber hinaus weisen die verifizierten nichtlokalen Phänomene der Quantentheorie darauf hin, daß die materielle Welt insgesamt holistisch aufzufassen ist, also ein "Plenum" konstituiert, das nicht bloß aus der Dynamik lokal wechselwirkender Teilchen verstehbar ist. Da nach einem berühmten Theorem von Emmy Noether aus dem Jahre 1918 jedem Symmetrieprinzip ein Erhaltungssatz entspricht, stellt sich nun auch die Frage wieder, was denn alles auf (Sub-)Quantenniveau unter welchen Bedingungen erhalten bleibt. Dies führt unter anderem zur oben erwähnten "Stromerhaltung" der kausalen Interpretation. Somit kann prognostiziert werden, daß im kommenden Jahrhundert ein intensives Studium des "Äthers" auf Subquantenniveau einsetzen wird.[45]

Auch am anderen Ende der Längenskala ist dies von Bedeutung. Der Zusammenbruch der alten Vorstellungen vom Universum wird heute von einer immer dringlicher werdenden Notwendigkeit begleitet, die sogenannte "kosmologische Konstante" in Einsteins Gravitations-Feldgleichungen ernst zu nehmen. Sie steht für die Möglichkeit, daß das gesamte Universum von einer Vakuum-Energie durchflutet ist,[46] die sowohl auf Quantenniveau als auch in der Kosmologie tragende Bedeutung haben könnte. Zu ihrem Studium wird eine an hydrodynamischen Modellen orientierte "Äther-Dynamik" zu entwickeln sein. Auf jeden Fall wird das Wasser weiterhin - ja, vielleicht sogar vermehrt - als eindrucksvolles Vor-Bild zur Naturforschung inspirieren.

[1] Man sagt dann, daß die "effektiven Lagrange-Funktionen" beider Ebenen "entkoppelt" sind. Siehe dazu S. Schweber, "Physics, Community, and the Crisis in Physical Theory", Physics Today 11 (1993) 34.

[2] H. Primas, Chemistry, Quantum Mechanics, and Reductionism, Berlin - Heidelberg: Springer 1983.

[3] Siehe z.B. J. L. Buchler, J. W. Dufty, and H. E. Kandrup, Long-Range Correlations in Astrophysical Systems, Ann. N. Y. Acad. Sc. 848 (1998). Abb. 2 stammt aus einem geradezu "paradigmatischen" Übersichtsartikel zur neuen Kosmologie: P. Coles, "The end of the old model Universe", Nature 393 (1998) 741.

[4] H. C. von Baeyer, "Tiny Doubles", The Sciences 5 (1997) 11.

[5] ebd.

[6] Siehe diesbezüglich den Kommentar bei G. und H. Böhme, Feuer, Wasser, Erde, Luft. Eine Kulturgeschichte der Elemente, München: C. H. Beck 1996, S. 188 ff.

[7] T. Lucretius Carus, De rerum naturae, Übers. v. Karl Büchner, Stuttgart: Reclam 1994, S. 271.

[8] G. und H. Böhme, a. a. O., S. 179.

[9] H. Schmitz, Neue Grundlagen der Erkenntnistheorie, Bonn: Bouvier 1994.

[10] T. Lucretius Carus, a. a. O., S. 543.

[11] Leonardo da Vinci 1506 - 1510, Codex Leicester, Folio 29v; meine Übersetzung.

[12] ebd., Folio 23r, m.Ü..

[13] P. Valéry, "Einführung in die Methode des Leonardo da Vinci", in: Werke, Bd. 6, Frankfurt/Main - Leipzig 1995, S. 54 f.

[14] R. Descartes, Die Prinzipien der Philosophie, Teil 3, Art. 30.

[15] C. Huygens, Abhandlung über das Licht, zitiert in Ref. 19, S. 277 f.

[16] I. Newton, Optik, Buch 2, Proposition XIII.

[17] T. Young, Miscellaneous Works, Vol. 1, 202f.

[18] A. Fresnel, zitiert in Ref. 19, S. 350.

[19] K. Simonyi, Kulturgeschichte der Physik, S. 221.

[20] G. Holton, Thematic Origins of Scientific Thought, Cambridge: Harvard University Press 1988, chapter II.8: "Einstein, Michelson, and the 'Crucial' Experiment"; p. 279 ff.

[21] A. Einstein, "Ether and the Theory of Relativity", Vortrag an der Universität Leyden am 5. 5. 1920.

[22] E. Madelung, Z. Phys. 40 (1926) 322. Im übrigen ist hier G. und H. Böhme, a. a. O., nicht zuzustimmen, wenn sie derartige Versuche einer "anschaulichen" (gegenüber einer rein formalen) Erklärung am Beispiel Phillip Lenards generell in die Nähe einer rassistischen "Deutschen Physik" stellen. Die de Broglie-Bohm-Version der Quantentheorie und die gesamte Diskussion darüber seit den Sechzigerjahren stellt dies vollständig außer Frage. Siehe auch Ref. 23 - 25.

[23] Zur Einführung siehe D. Bohm, Wholeness and Implicate Order, London: Routledge and Kegan Paul 1980.

[24] J. Bell, Speakable and Unspeakable in Quantum Mechanics, Cambridge: University Press 1987.

[25] Eine ausführliche Darstellung auf neuem Stand findet man bei P. Holland, The Quantum Theory of Motion, Cambridge: University Press 1997, und eine kurze aktuelle Einführung in: S. Goldstein, "Quantum Theory Without Observers", Physics Today 3 (1998) 42 und 4 (1998) 38.

[26] G. Grössing 1993a, Das Unbewußte in der Physik. Über die objektalen Bedingungen naturwissenschaftlicher Theoriebildung, Wien: Turia + Kant.

[27] R. P. Feynman, R. B. Leyghton, M. Sands, The Feynman Lectures of Physics, Reading: Addison-Wesley 1963, chapters II.40 and II.41.

[28] P. Valéry, a. a. O., S. 55.

[29] G. Grössing 1993a, a. a. O..

[30] E. Mach, Erkenntnis und Irrtum, Leipzig: J. A. Barth, 1905.

[31] A. Einstein, zitiert aus G. Holton, a. a. O., S. 386 ff.

[32] R. P. Feynman, zitiert in: K. Clausberg und H. Prossinger, "Elemente des Übergangs. Bausteine für Kunstwelten im anbrechenden Computerzeitalter", Paragrana 5, 1 (1996) 126.

[33] D. Bohm and F. D. Peat, Science, Order, and Creativity, New York - Bantam, 1987, S. 38.

[34] G. Grössing 1993a, a. a. O., S. 202.

[35] J. LeDoux, "Parallel Memories: Putting Emotions Back Into The Brain. A Talk with Joseph LeDoux", http://www.edge.org/3rd_culture/ledoux/

[36] Siehe z. B. S. P. Springer und G. Deutsch, Linkes Gehirn / Rechtes Gehirn, Heidelberg 1987.

[37] J. S. Morris, A. Öhmann, R. J. Dolan, "Conscious and Unconscious emotional learning in the human amygdala", Nature 393 (1988) 467.

[38] A. Bechara, H. Damasio, D. Tranel, A. R. Damasio, "Deciding Advantageously Before Knowing the Advantageous Strategy", Science 275 (1977) 1293.

[39] G. und H. Böhme, a. a. O..

[40] H. Blumenberg, Die Genesis der Kopernikanischen Welt, Frankfurt: Suhrkamp 1975.

[41] siehe z. B. H. Primas, a. a. O..

[42] G. Grössing 1993b, "L'Atomisme du XXe siècle et sa fin", Diogène 163 (1993) 80.

[43] Siehe zu diesem allgemeineren Phänomen G. Grössing 1997, Die Information des Subjekts. Paradoxales Umkippen in Zeiten kopernikanischer Wenden, Wien: Turia + Kant.

[44] http://www.nobel.se/announcement-98/physics98.html

[45] Ob dieser Äther selbst wieder aus noch kleineren "Teilchen" aufgebaut sein könnte, kann heute nur sehr spekulativ diskutiert werden. Im Grunde sind aber weitere Auseinandersetzungen zwischen den Positionen für Kontinuum oder Diskretum nicht auszuschließen. Wie Richard Feynman sagte: "There's plenty of room at the bottom".

[46] Siehe die in Ref. 3 zitierte Publikation von P. Coles.

 

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