Film ist wie das Leben: Man kann ihn nicht in einem Wort zusammenfassen. David Lynch

Realität ist Illusion

Computermodelle erklären uns die Welt – oder versuchen es zumindest. Denn die Auffassung davon, was überhaupt real ist, ändert sich ständig.

Seit wenigen Tagen steht der schnellste Supercomputer Europas nun in Deutschland. Er wird, wie seine Geschwister im Forschungszentrum Jülich, vor allem für Simulationszwecke genutzt: ein wissenschaftliches Forschungsverfahren, bei dem reale Prozesse sozusagen in einem Computermodell „durchgespielt“ werden. Klimamodelle sind wohl die bekanntesten Simulationen, aber inzwischen nutzen fast alle Wissenschaften die Möglichkeit, Experimente im Computer zu machen – und auch die wunderschönen Bilder vom Higgs-Teilchen, die in den vergangenen Wochen durch die Medien gingen, sind nicht etwa Fotos aus den Tiefen des Teilchenbeschleunigers des CERN, sondern geschickte Visualisierungen von simulierten Teilchenzusammenstößen, die es schon gab, lange bevor die Spuren wirklicher Higgs-Teilchen gefunden waren.

Voraussage von Zahlenbergen

Für eine Simulation macht man sich zuerst ein mathematisches Modell des realen Prozesses, bzw. davon, wie man sich den realen Prozess vorstellt. Das ist mit verschiedenen Herausforderungen verbunden, ich habe das vor längerer Zeit hier und hier thematisiert. Ulrich Krohs hat 2008 darüber geschrieben, wie es möglich ist, dass Computermodelle die reale Welt erklären, in welchem Sinne man da überhaupt von einer Erklärung sprechen kann („How Digital Computer Simulations Explain Real-World Processes“ in: International Studies in the Philosophy of Science, 22 (3), 277-292 DOI: 10.1080/02698590802567324).

Das Spannende ist nämlich, dass man die Sache auch so sehen kann: Das mathematische Modell, das zur Beschreibung des realen Prozesses auf der einen Seite und zur Erstellung der Simulationssoftware auf der anderen Seite verwendet wird, ist am Schluss, wenn alles gut geht und die Simulation die gleichen Ergebnisse liefert wie z.B. „echte“ Experimente im Labor oder eben im CERN, ein Modell, welches sowohl die Realität des Labors beschreibt als auch die realen Vorgänge im Computer.

Um das so richtig zu verstehen, stelle man sich einen Wissenschaftler vor, der vor eine ihm unbekannte Anlage gestellt wird, die irgendwelche Zahlenangaben produziert. Er kann Eingabewerte einstellen und die Anlage mit diesen Werten immer neu starten. Über das Innere des Gerätes ist ihm nichts bekannt und er bekommt die Aufgabe, ein mathematisches Modell zu entwickeln, das die produzierten Zahlen erklärt und Voraussagen für die weiteren zu erwartenden Zahlenberge macht. Das Spannende ist nun, dass der clevere Wissenschaftler möglicherweise das gleiche Modell entwerfen wird, egal, ob das Gerät ein Teilchenbeschleuniger ist oder ein Computer. Und dieses Modell wird das „Verhalten“ des Systems, also die unter bestimmten Bedingungen produzierten Zahlen, die er als Messwerte betrachtet, jeweils richtig beschreiben – obwohl doch im Inneren der Anlage ganz verschiedene Prozesse vorgehen.

Konstruktion durch Theorien

Das Problem ist, dass diese Prozesse und die beteiligten Objekte dem Wissenschaftler nicht direkt zugänglich sind, er kann auf sie nur indirekt schließen, durch Daten, die von den Prozessen erzeugt werden und die in der Beobachtungswelt des Wissenschaftlers sichtbar werden. Man spricht deshalb auch von theoretischen Entitäten, sie werden sozusagen aus den Messungen, den Beobachtungen von Zahlenkolonnen und Zeigerausschlägen der Instrumente, durch die Theorien konstruiert. Ob es die Objekte wirklich gibt und ob die Prozesse, von denen die mathematische Beschreibung ein Modell sein soll, so ablaufen, wie es sich der Wissenschaftler in irgendeinem Sinne vorstellt, kann er nicht herausfinden: Er wird weder ein Higgs-Teilchen noch die Stromschwankungen beim Abarbeiten des Quellcodes im Computer je direkt beobachten können.

Bevor man nun vorschnell schlussfolgert, dass die Wissenschaft also über die Existenz solcher theoretischen Entitäten überhaupt nichts sagen könne, muss man sich natürlich vor Augen halten, dass die Wissenschaftler am CERN oder am Simulationsrechner nicht in der Situation des hypothetischen Kollegen sind, den ich oben beschrieben habe. Sie wissen einiges über den Aufbau ihrer Geräte: Der Teilchenbeschleuniger ist auf Basis der Erfahrungen mit einfacheren Vorläufern aufgebaut und die Vorstellungen vom Verhalten der theoretischen Entitäten haben sich über viele Jahre mehr oder weniger gut bewährt, das Überzeugungssystem, in dem die Elementarteilchen eine Rolle spielen, hat sich recht gut bewährt. Umgekehrt wissen die Simulationsexperten auch ziemlich gut, wie es kommt, dass ihr Supercomputer bestimmte Zahlen auswirft.

Vorstellungen im Wandel

Aber schon das einfachste Experiment, z.B. jenes, mit dem die Elementarladung zum ersten Mal nachgewiesen wurde, basiert auf der Annahme bestimmter theoretischer Entitäten, die aus der Theorie und aus den experimentellen Befunden heraus konstruiert worden sind. Und es ist auch gar nicht so selten, dass sich die Vorstellungen über diese nicht direkt fassbaren und sichtbaren Objekte immer wieder wandeln.

Deshalb zeigt das Gedankenexperiment eben doch, wenn auch auf besonders extreme Weise, dass die nicht sichtbare Welt auch ganz anders sein könnte, als es uns die heute gängige Interpretation der Gleichungssysteme des Standard-Modells nahelegt. Das mathematische Modell ist sicherlich bestätigt worden, aber ob damit ein „Teilchen“ oder ein „Feld“ gefunden wurde, kann man eigentlich nicht sagen – es könnte eben alles auch nur eine Simulation sein.

Lesen Sie auch die neuste Kolumne von Jörg Friedrich: Keine Angst

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