SCM Hänssler ist ein Imprint der SCM Verlagsgruppe, die zur Stiftung Christliche Medien gehört, einer gemeinnützigen Stiftung, die sich für die Förderung und Verbreitung christlicher Bücher, Zeitschriften, Filme und Musik einsetzt.
ISBN 978-3-7751-7450-3 (E-Book)
ISBN 978-3-7751-5960-9 (lieferbare Buchausgabe)
Datenkonvertierung E-Book: CPI books GmbH, Leck
© der deutschen Ausgabe 2019
SCM Hänssler in der SCM Verlagsgruppe GmbH · 71088 Holzgerlingen
Internet: www.scm-haenssler.de· E-Mail: info@scm-haenssler.de
Herausgegeben von der Studiengemeinschaft
Wort und Wissen e.V.
www.wort-und-wissen.de
Satz: Studiengemeinschaft Wort und Wissen, Baiersbronn
Umschlaggestaltung: Patrick Horlacher, Stuttgart
Titelbild: Unsplash.com: Hal Gatewood, Ramon Salinerott
Über den Herausgeber
1 Einleitung
2 Ordnung, ihre Erklärung und die Ordnung der Natur
3 Die naturgesetzliche Grundordnung
3.1 Eine stabile, verstehbare und planbare Welt
3.2 Warum Naturgesetze nicht selbstverständlich sind
4 Das mathematische Universum
4.1 Die mathematische Verfasstheit des Universums
4.2 Das nichtmaterielle Reich der Mathematik
5 Die Architektur der Naturgesetze
5.1 Die vier Grundkräfte
5.2 Die Elementarteilchen
5.3 Die Stabilität der Atome
5.4 Eine vielfältige Palette an chemischen Substanzen
6 Die Feinabstimmung der Naturkonstanten
6.1 Die Stärke der Gravitationskraft
6.2 Symmetrie und Asymmetrie
6.3 Starke Kernkraft und elektromagnetische Kraft
6.4 Die Massen der Elementarteilchen
7 Die Verteilung der Energie im Universum
8 Die Funktionalität der Chemie des Lebens
8.1 Chemie des Lebens
8.2 Kohlenstoff
8.3 Wasser und Sauerstoff
8.4 Stickstoff
8.5 Phosphor
8.6 Häufigkeiten der wichtigsten Elemente in der Natur
8.7 DNA und Proteine
8.8 Fazit
9 Kann die Ordnung der Natur naturalistisch erklärt werden?
9.1 Zufall: keine Erklärung erforderlich
9.1.1 Sind lebensfreundliche Bereiche vielleicht doch wesentlich wahrscheinlicher?
9.1.2 Ist Feinabstimmung eine Illusion unserer Beobachterperspektive?
9.1.3 Ist Feinabstimmung eine Illusion, weil Parameter isoliert betrachtet werden?
9.1.4 Könnte Leben auch etwas anderes sein?
9.1.5 Können Wahrscheinlichkeiten überhaupt bestimmt werden?
9.1.6 Unwahrscheinliche Dinge passieren immer wieder
9.2 Notwendigkeit
9.3 Nicht-personale Ursachen – naturwissenschaftliche Erklärung
9.3.1 Naturwissenschaftliche Erklärungen allgemein
9.3.2 Die Multiversum-Hypothese
9.4 Bewertung naturalistischer Erklärungsansätze
10 Die theistische Erklärung: Gott als personale Ursache
10.1 Ist die Existenz Gottes (un)wahrscheinlich?
10.2 Ist es (un)wahrscheinlich, dass Gott diese Welt erschaffen hat?
11 Zusammenfassung und Schlussfolgerung
Danksagung
Glossar
Literatur
Die Autoren
Anmerkungen
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Dr. Marcus Widenmeyer, studierte Chemie und Philosophie. Er promovierte in anorganischer Chemie und ist in der Zentralen Forschung bei Bosch tätig. Außerdem arbeitet er ehrenamtlich bei der Studiengemeinschaft Wort und Wissen mit den Themenschwerpunkten interdisziplinäre Philosophie und Apologetik.
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Stellen Sie sich vor, Sie haben Schiffbruch erlitten und treiben in einem kleinen Schlauchboot auf dem weiten Ozean. Sie haben großes Glück und erreichen eine kleine grüne Insel. Sie gehen an Land. Die Insel erscheint Ihnen unbewohnt. Dann aber stoßen Sie auf ein nettes Häuschen. Genau Ihr Geschmack. Die Türe ist offen. In einem hübschen, dekorativen Bilderrahmen (wieder Ihr Geschmack!) lesen Sie, ziemlich verblüfft, den Schriftzug: „Willkommen, [setzen Sie hier Ihren Namen ein]!“ Auf dem Tisch steht bereits, noch dampfend heiß, Ihr Lieblingsessen. Auch andere Details der Einrichtung sind persönlich auf Sie zugeschnitten. Die Bücher im Bücherregal passen genau zu Ihren Interessen und Vorlieben. Im Kühlschrank finden Sie Ihre Lieblingsgetränke. Im Hintergrund läuft Ihre Lieblingsmusik usw. Wurden Sie erwartet? Kann man diesen Schluss vermeiden?
Das ist eine (zugegebenermaßen grobe) Analogie zu der Situation, die wir in unserem Universum vorfinden: Leben scheint absolut willkommen zu sein. „Absolut willkommen“ heißt natürlich nicht, dass Leben in jeder Ecke des Universums anzutreffen ist. Bekanntermaßen sind die meisten Orte im Universum nicht besonders gut für Leben geeignet. Darum geht es aber nicht. Auf unserer Insel hat sich das Willkommensgefühl ja auch nur im besagten Häuschen eingestellt. Höchst willkommen erscheint Leben im Universum deshalb, weil die naturgesetzliche Ordnung unserer Welt genau so eingerichtet ist, dass es überhaupt Leben geben kann. Wie wir sehen werden, kann man sich kaum des Eindrucks erwehren, dass unsere Welt bis tief ins Detail genau für diesen Zweck konzipiert und durchdacht ist. Einige Merkmale scheinen darüber hinaus sogar speziell für intelligentes Leben eingerichtet zu sein.
Wir nennen dieses Phänomen „Feinabstimmung“:1 Die physikalischen Eigenschaften des Universums, also die Naturgesetze, Naturkonstanten und Randbedingungen, sind in komplexer Weise und häufig sehr präzise für das Vorhandensein körperlichen Lebens maßgeschneidert. Wenn Sie im Universum ein Schaltpult finden sollten, an dem Sie Naturgesetze und -kräfte ein- und ausschalten und die Naturkonstanten justieren könnten, lassen Sie unbedingt die Finger davon! Würden Sie zum Beispiel die Gravitationskraft, eine der vier Grundkräfte der Physik, nur um ein Milliardstel Milliardstel Milliardstel von der Skalenbreite verändern, in der eine solche Grundkraft (mindestens) liegen kann, würde alles Leben zerstört werden. Und die richtige Einstellung würden Sie nie wieder finden. Genauso desaströs wären die Konsequenzen, wenn Sie eine Grundkraft oder die Quantenmechanik2 einfach abschalten würden. Ein Physik- oder Chemiestudium wäre dann zwar einfacher. Nur würden dann auch die Studenten fehlen: Leben wäre in einer solchen Welt nicht mehr möglich. Der Ratschlag never change a running system trifft nirgends besser zu als hier.
Welche Grundanforderungen muss eine Welt erfüllen, in der Leben möglich sein soll? Leben3 weist eine Reihe sehr spezifischer Eigenschaften auf. Häufig erwähnte Beispiele sind Energieaustausch und Stoffwechsel (Metabolismus), Besitz und Ausführung eines komplexen genetischen Programms, Fortpflanzung4 und Vererbung sowie die Fähigkeit, auf Umweltreize biologisch konstruktiv zu reagieren.5 Leben ist damit ein konzeptionell hochgradig anspruchsvolles Phänomen, das menschliche Technik weit übertrifft.6 Es ist nicht überraschend, dass ein Universum, das Leben enthalten soll, ziemlich spezielle Anforderungen erfüllen muss. Wir werden uns unter anderem mit den folgenden vier Anforderungen beschäftigen:
• stabile Materie und vorhersehbare, zuverlässige Prozesse,
• eine komplexe und maßgeschneiderte Chemie, um Bausteine für biologische Körper bereitzustellen,
• passende Lebensräume wie Planeten,
• geeignete Energiequellen wie unsere Sonne.
Um diese Anforderungen zu erfüllen, sind maßgeschneiderte, aufeinander abgestimmte Naturgesetze, präzise eingestellte Naturkonstanten und eine sehr spezielle räumliche Verteilung der Energie (bzw. der Masse) im Universum nötig. An zentralen Stellen braucht es außergewöhnliche Lösungen: So macht in unserem Universum die Quantenphysik stabile Atome und eine funktionierende Chemie überhaupt erst möglich. Und gleichzeitig stellt diese Quantenphysik eine Form der Materie dar, die sich der menschlichen Vorstellungskraft weitgehend entzieht. Sie wurde erst Anfang des 20. Jahrhunderts von Wissenschaftlern entschlüsselt, die zu den intelligentesten Personen ihrer Zeit gehörten.
Hier schließt sich nahtlos ein weiteres Merkmal des Universums an: Die Form der Materie ist in einer mathematischen Sprache geschrieben, die viele Wissenschaftler als besonders elegant und ästhetisch wahrnehmen. Sie beruht letztlich auf einigen wenigen zwar anspruchsvollen, aber doch einfachen Grundkonzepten, sodass sie von uns Menschen entschlüsselt werden kann und dadurch auch technisch anwendbar ist. Man sieht an diesem Beispiel, dass die Welt speziell auch für intelligente Bewohner eingerichtet ist.
Die Feinabstimmung widerspricht einem gewichtigen und bedenklichen Trend im weltanschaulichen Denken unserer vom Naturalismus7 geprägten säkularisierten Kultur. Dieser Trend hat zunehmend die Bedeutung des Menschen im Kosmos in Frage gestellt. Der Mensch (mitsamt seinem Heimatplaneten Erde) sei demnach in keiner Weise Mittelpunkt des Kosmos, wie es oft mit dem früheren geozentrischen Weltbild verknüpft wird. Vielmehr sei er eine randständige, höchst irrelevante Erscheinung in einem unvorstellbar riesigen Universum oder gar einem Multiversum, einem Ensemble von praktisch unendlich vielen Einzeluniversen. Auch wenn es natürlich fraglich ist, dass der Mensch jemals seine Bedeutung aus der Nähe zum Mittelpunkt des Kosmos erhalten haben soll,8 wird diese Deutung bis heute häufig vertreten. Prominent geworden ist die Aussage des Biologen und Nobelpreisträgers Jacques Monod, wonach der Mensch „seine totale Verlassenheit, seine radikale Fremdheit erkennen“ müsse; der Mensch sei nur „ein Zigeuner am Rande des Universums“, das völlig gleichgültig sei gegenüber seinen Hoffnungen, Leiden oder Verbrechen.
Das Phänomen der Feinabstimmung spricht jetzt aber dafür, dass das Universum in verblüffender Weise biozentrisch eingerichtet ist. Spontan drängt sich der Gedanke auf, dass Leben und speziell auch intelligentes Leben im höchsten Grade erwünscht und willkommen ist. Steht hinter dem Universum ein Master-Plan? Existieren die speziellen, lebensdienlichen Merkmale des Universums deshalb, weil sich jemand etwas dabei gedacht hat, oder sind sie letzten Endes zufällig so, wie sie sind?
Fragen dieser Art gehörten wohl schon immer zu den Grundfragen der Menschheit, auch wenn sich die Details der Fragestellung natürlich im Laufe der Zeit verändert haben. Zum Beispiel fragte der Philosoph und Naturforscher Aristoteles vor fast 2.500 Jahren, was denn wohl die eigentliche Ursache von Ordnung und Schönheit in der Natur sei.9 Er kam zum Schluss, dass „eine so große Sache“ nur der „Vernunft“, nicht jedoch „dem Zufall und dem Ungefähr“ zugeschrieben werden könne. Welche Schlussfolgerungen aus der Feinabstimmung aber wirklich zu ziehen sind, ist umstritten: Wir befinden uns hier an einer weltanschaulichen Wasserscheide mit jeweils weitreichenden Konsequenzen. Unabhängig davon, ob wir damals mit Aristoteles gefragt hätten, was denn der Grund der Schönheit und der Ordnung der Natur sei, oder ob wir heute im Rahmen der modernen Naturwissenschaft mit solchen Feinabstimmungsphänomenen konfrontiert sind: Die Auswahl an Antwort- oder Erklärungsmöglichkeiten ist immer die gleiche. Die entscheidende Frontlinie verläuft zwischen Vertretern einer naturalistischen Weltanschauung und Vertretern einer theistischen Weltanschauung.
Naturalisten sind der Ansicht, dass zum Verständnis der Welt rein innerweltliche und damit auch rein nichtpersonale bzw. nichtgeistige Ursachen völlig ausreichend sind, also im Grunde das, was Aristoteles „den Zufall“ oder „das Ungefähr“ nannte: Die Dinge sind einfach so, wie sie sind, ohne dass Planung, Intelligenz, Zielorientierung irgendeine Rolle gespielt hätten. Die physikalische Welt, so diese Sicht, erklärt sich aus sich selbst heraus oder sie erfordert schlicht keine Erklärung. Wie weit gehen innerweltliche Erklärungen? Zunächst versuchen Wissenschaftler ganz unabhängig von ihrer weltanschaulichen Position, die Vielzahl an Phänomenen in unserer Welt durch immer fundamentalere Naturgesetze zu beschreiben. Beispielsweise gelang es Newton, sowohl die Bewegungen der Planeten als auch das Herunterfallen eines Apfels von einem Baum auf eine gemeinsame Ursache zurückzuführen: die Gravitationskraft. Das Zurückführen zahlloser Naturphänomene auf relativ wenige, mathematisch formulierbare Prinzipien war in den letzten Jahrhunderten so erfolgreich, dass die Hoffnung aufkam, letztlich alle Naturerscheinungen in einer einzigen Weltformel zusammenfassen zu können. Blenden wir an dieser Stelle aus, dass diese hochsystematische, mathematisch formulierbare Struktur der Welt im Rahmen einer naturalistischen Weltanschauung eine recht erstaunliche Tatsache wäre (wir kommen in den Kapiteln 3 und 4 darauf zurück). Ein heiß umstrittener Punkt besteht in den unterschiedlichen Ansichten, wie weit eine solche naturgesetzliche Beschreibung unseres Universums gehen könnte. Klassischerweise vertreten Naturalisten die Auffassung, dass sich irgendwann alle Phänomene naturgesetzlich beschreiben und im Wesentlichen auch entsprechend innerweltlich erklären lassen. In den letzten Jahrzehnten sind jedoch einige Naturalisten deutlich vorsichtiger geworden.10 Denn es gibt gute Gründe dafür, dass wesentliche Aspekte unserer Realität (wie beispielsweise Bewusstseinsphänomene, Intentionalität11, unsere personale Identität oder Moral) nicht naturwissenschaftlich erfassbar, geschweige denn erklärbar sind.12 Naturgesetze sind natürlich naturwissenschaftlich erfassbar. Sind sie aber wirklich auch naturwissenschaftlich erklärbar? Und wenn nicht: Welche Schlüsse sind daraus zu ziehen?
Auch angesichts der Feinabstimmungsphänomene hegen viele Naturalisten die Hoffnung, dass sich mit dem Fortschritt der Naturwissenschaften letztlich alle bekannten Fälle innerweltlich erklären lassen. Nehmen wir einmal an, dass es tatsächlich gelingen würde, alle Phänomene im Universum durch eine einzige Weltformel zu beschreiben. Wäre damit tatsächlich die Frage nach der Feinabstimmung ein für alle Mal geklärt? Die Antwort lautet nein, denn die Weltformel würde zwar alle Ereignisse korrekt beschreiben, sie würde allerdings nicht erklären, wieso die Naturgesetze genau so sind und nicht anders. Um korrekt als Weltformel zu gelten, müsste sie beispielsweise eine anziehende Gravitationskraft beinhalten. Nun gibt es aber keinen Grund anzunehmen, dass sich die Weltformel nicht so abändern ließe, dass sie keine oder eine abstoßende Gravitationskraft vorhersagen würde. Die grundsätzlichen Fragen wären nach wie vor nicht beantwortet: Wieso verhält sich unser Universum gemäß einer Weltformel, welche Leben ermöglicht, und nicht nach einer anderen aus der viel größeren Menge an Weltformeln, welche kein Leben ermöglichen? Wieso wird die materielle Welt überhaupt von Naturgesetzen regiert, noch dazu von mathematisch höchst eleganten und bis in ihre Tiefenstruktur vom menschlichen Geist entschlüsselbaren?
Gerade auch am letzten Punkt dürften naturalistische Erklärungen scheitern: Das Reich der Mathematik ist unabhängig von Materie und Energie, Raum und Zeit. Die Sätze der Mathematik wären auch dann gültig, wenn das Universum ganz anders wäre, zum Beispiel völlig chaotisch. Oder wenn es überhaupt kein Universum und keine Materie gäbe. Umgekehrt können mathematische Konzepte von mit Geist begabten Wesen a priori entdeckt oder entwickelt werden. A priori heißt, dass man dazu nicht in der materiellen Welt nachsehen muss. Gleichzeitig kommen mit der mathematischen Struktur des Universums ästhetische Werte wie Regelmäßigkeiten, Symmetrien und Raffinesse zum Ausdruck. Es ist schlicht und einfach nicht zu sehen, wie eine naturalistische Erklärung für dieses Merkmal unserer Welt aussehen könnte.
Naturalisten bleibt letztlich keine andere Option, als die höchst spezifischen Phänomene unserer Welt auf eine Kombination äußerst unwahrscheinlicher Zufälle zurückzuführen. Denn wie man es auch dreht und wendet: Auch die Naturgesetze (egal ob mit oder ohne Weltformel) und ihre in verschiedener Hinsicht hochspezifische Beschaffenheit zeigen sich im Rahmen der naturalistischen Weltanschauung als ein gewaltiger Zufall. Wir werden verschiedene Ansätze besprechen, die das Ziel haben, den Naturalismus angesichts des Feinabstimmungsphänomens zu verteidigen, darunter auch die Multiversum-Hypothese, auf der vermutlich die größten Hoffnungen ruhen. Keiner dieser Ansätze schafft es unserer Ansicht nach aber, die ungeheuer unwahrscheinlichen Zufälle aufzulösen.
Natürlich werden wir nicht alle Fälle von Feinabstimmung darstellen, die in der Literatur diskutiert werden.13 Zudem werden auch immer wieder neue Fälle entdeckt und manchmal können auch neuere Forschungsergebnisse unsichere Fälle von Feinabstimmung in Frage stellen. Dennoch sind wir überzeugt davon, dass es genügend klare, gut begründete Fälle von Feinabstimmung gibt, um die Schlussfolgerungen ziehen zu können, die wir ziehen werden. In den meisten Fällen physikalischer Feinabstimmung beziehen wir uns auf das 2016 erschienene Buch von Geraint Lewis und Luke Barnes, das einen guten Überblick des aktuellen Standes vermittelt. Darüber hinaus haben wir noch drei weitere Schwerpunkte gesetzt: erstens die Tatsache, dass unsere Welt von universellen, mathematisch gut darstellbaren Naturgesetzen regiert wird; zweitens die für die funktionalen Anforderungen des Lebens maßgeschneiderte Chemie und drittens eine gründliche philosophische Bewertung der Befunde.
Wir Autoren (zwei Physiker und zwei Chemiker) verteidigen in diesem Buch die theistische Weltdeutung. Es ist rational, außerweltliche und personale Erklärungen in Betracht zu ziehen, wenn innerweltliche Erklärungen nachhaltig oder gar prinzipiell scheitern und gleichzeitig nach wie vor ganz wesentliche Dinge zu erklären sind.14 Theisten sind der Auffassung, dass sich unsere Welt am besten als das Werk eines höchst kreativen und intelligenten transzendenten (d. h. außerweltlichen) Planers und Schöpfers verstehen lässt. Wie wir sehen werden, ist es plausibel, dass dieser Schöpfer in intelligenten Lebewesen, die kreativ, moralisch und beziehungsfähig sind, einen hohen Wert sieht, was ein nachvollziehbares Motiv für seine Schöpfung darstellt. Der Theismus ist dabei ganz zwanglos im Einklang mit unserer (bislang empirisch nicht widerlegten) Erfahrung, dass Ordnung und Funktionalität durch Planung und gezieltes Handeln, aber nicht durch planlose, zufallsgesteuerte Faktoren entstehen. Ebenso ist der Theismus im Einklang mit der Tatsache, dass Naturgesetze keinen abschließend erklärenden, sondern im Grunde nur einen beschreibenden Charakter haben. Denn die abschließenden Erklärungen gehen auf den Schöpfer, auf seine Motive und sein Wesen zurück.
Im folgenden zweiten Kapitel wird der Begriff der Ordnung, auf den wir häufig zurückgreifen werden, erläutert und definiert. Das dritte Kapitel hat die allgemeine naturgesetzliche Ordnung unserer Welt zum Gegenstand, während das vierte die mathematische Seite dieser Ordnung beleuchtet. Das fünfte Kapitel beschreibt beispielhaft einige grundlegende Gesichtspunkte der naturgesetzlichen Architektur unserer Welt, die es z. B. ermöglicht, dass es stabile, zu chemischen Bindungen fähige Atome geben kann. Das sechste Kapitel zeigt, neben zwei wichtigen Symmetrieaspekten, einige Beispiele für die Feinabstimmung der Naturkonstanten. Die statistisch enorm unwahrscheinliche Verteilung der Energie im Universum, die eine weitere Voraussetzung für die Existenz von Atomen und somit für Leben ist, wird im siebten Kapitel betrachtet. Das achte Kapitel widmet sich der für Leben maßgeschneiderten Chemie. Im neunten Kapitel werden verschiedene Argumente, mit denen der Schluss auf Planung vermieden und der Naturalismus verteidigt werden könnte, dargestellt und geprüft. Im zehnten Kapitel wird das theistische Argument entwickelt. Diese Kapitel 9 und 10 sowie Teile von Kapitel 3 und 4 betreffen im Wesentlichen philosophische Fragestellungen, während die anderen Teile von Kapitel 3 und 4 sowie Kapitel 5 bis 8 naturwissenschaftlich ausgerichtet sind. Die naturwissenschaftlichen Darstellungen setzen außer einem gewissen Grundverständnis keine speziellen naturwissenschaftlichen Kenntnisse voraus. Ein Teil der philosophischen Diskussion behandelt spezielle Einwände gegen Feinabstimmungsargumente und ist naturgemäß etwas abstrakter und weniger anschaulich. Der Hauptstrang unserer Argumentation ist nicht wesentlich davon abhängig. Generell ist dieses Buch für alle geschrieben, die ein naturwissenschaftliches Interesse haben und dieses verbinden wollen mit einer der tiefsten Fragen, die sich die Menschheit jemals gestellt hat: Ist unser Universum geplant?
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Eine mit Liebe zum Detail gebaute Stadt aus Lego-Bausteinen erscheint uns geordnet, ein großer Haufen solcher Bausteine dagegen ungeordnet. Eine weiße Fläche, auf der schwarze Farbkleckse ohne erkennbare Struktur verteilt sind, erscheint uns ungeordnet; bildet die schwarze Farbe jedoch ein Bild oder einen sprachlichen Text, erkennen wir Ordnung. Diese Fälle sind Beispiele, in denen wir Ordnung intuitiv und direkt wahrnehmen. Oft kann Ordnung zudem auch quantitativ abgeschätzt oder sogar berechnet werden. In solchen Fällen zeigen geordnete Systeme nicht selten eine verblüffend geringe statistische Wahrscheinlichkeit. Abb. 1 zeigt drei Systeme mit unterschiedlichen Systemgrößen, wobei für jedes System beispielhaft jeweils ein ungeordneter und ein geordneter Zustand dargestellt ist. Wir nehmen auch hier sofort intuitiv wahr, welche Zustände die geordneten sind. Ordnung hat in diesem Beispiel das Merkmal, dass sich alle weißen Kreise in der einen Hälfte und alle grauen Kreise in der anderen Hälfte befinden. Fällt das Ordnungskriterium weg, dürfen die grauen und weißen Kreise beliebig und zufällig angeordnet sein.
Eine wichtige Eigenschaft von Ordnung ist, dass geordnete Zustände eine kleine Teilmenge von allen möglichen Zuständen darstellen, die das System haben kann. Es gibt viel mehr Möglichkeiten, irgendeinen beliebigen Zustand zu bekommen, als es Möglichkeiten gibt, einen geordneten Zustand zu bekommen. Und genau das heißt: Geordnete Zustände haben eine geringe statistische Wahrscheinlichkeit; wenn ein Systemzustand zufällig zustande kommt, ist es viel wahrscheinlicher, einen ungeordneten Zustand zu bekommen, als einen geordneten. Die statistische Wahrscheinlichkeit nimmt dabei mit steigender Größe des Systems exponentiell ab; entsprechend nimmt der Ordnungsgrad, den wir am einfachsten als Kehrwert dieser statistischen Wahrscheinlichkeit definieren können, exponentiell zu. So ist beim größten abgebildeten System die Wahrscheinlichkeit, durch Zufall den (hier definierten) geordneten Zustand zu erhalten, mit rund 10–37 verschwindend gering. Dabei ist die Zahl der Bestandteile dieses Systems verglichen mit einer menschlichen Zelle, einem Glas Wasser oder gar dem ganzen Universum wiederum verschwindend gering.
Sehr häufig kann ein System in verschiedener Weise geordnet sein. Wir würden zum Beispiel das in Abb. 1 dargestellte System auch dann als geordnet bezeichnen, wenn sich die grauen Kreise in der oberen Hälfte und die weißen in der unteren Hälfte befinden würden. Weitere Ordnungskonzepte für dieses System kann man sich leicht ausdenken. Die Wahrscheinlichkeit, zufällig irgendein geordnetes System zu erhalten, ist daher meist deutlich größer als die Wahrscheinlichkeit, genau dieses geordnete System zu erhalten. Ordnung, oder zumindest das, was wir intuitiv als Ordnung wahrnehmen, ist aber trotzdem nichts Beliebiges und bleibt im Normalfall etwas sehr Unwahrscheinliches.15
Abb. 1: Drei Systeme mit unterschiedlichen Systemgrößen; links jeweils (beispielhaft) ein ungeordneter, rechts ein geordneter Zustand. Das quantifizierbare Ausmaß der Ordnung („o“) steigt mit der Systemgröße sehr stark an. Die Tabelle zeigt diesen Ordnungsgrad in Abhängigkeit von a und b an, welche die Systemkomplexität repräsentieren. a ist die Anzahl aller Komponenten, also hier der grauen und weißen Kreise zusammen, b ist die Anzahl der weißen Kreise bzw. die Anzahl der grauen Kreise, also jeweils die Hälfte von a. Dieser Ordnungsgrad ist der Kehrwert der Wahrscheinlichkeit, zufällig einen entsprechenden geordneten Zustand zu erhalten. Diese Wahrscheinlichkeit ist die Anzahl aller Zustände, die das Ordnungsmerkmal tragen, geteilt durch die Anzahl aller möglichen Zustände des Systems.
Was ist zum Beispiel, wenn man die in Abb. 1 links befindlichen (also eigentlich als ungeordnet aufgefassten) Zustände einfach als „geordnet“ definieren würde? Eine solche Definition erschiene uns willkürlich und unbegründet. Der Grund dafür ist, dass wir an Zuständen, die wir als geordnet bezeichnen, ein besonderes Merkmal erwarten. Ein solches Merkmal sollten wir mit treffenden, verhältnismäßig einfachen Begriffen bezeichnen können. Dies können besondere mathematische Regeln sein, (bei Texten) semiotische Merkmale, weiterhin Zwecke bzw. technische Funktionen (wie bei Maschinen oder, damit verwandt, biologischen Systemen). Nachrichtentechnisch würde man Ordnung mit dem Begriff „Signal“ ausdrücken, in Abgrenzung zum „Rauschen“, das ungeordnete Zustände charakterisiert. Wie erwähnt erkennen wir Menschen Ordnung meist intuitiv, wobei hier (wie generell bei allen menschlichen Erkenntnissen) auch Irrtümer möglich sind.16 In den meisten Fällen ist unsere Intuition aber zuverlässig, z. B. wo wir im Alltag zufällig zustande gekommene Strukturen (wie durch Umkippen eines Tintenfasses) von gezielt erzeugten Strukturen (z. B. ein Text oder ein Gemälde) treffsicher unterscheiden. Oder ein aufgeräumtes von einem unaufgeräumten Zimmer.
Im Zweifelsfall muss ein diskutiertes Ordnungsmerkmal genauer analysiert werden.17 Die physikalische Entropie18, die wir im siebten Kapitel behandeln werden, beruht zum Beispiel auf einem recht robusten und bewährten Ordnungsbegriff. Sie betrifft einen gewichtigen Aspekt der lebensfreundlichen Ordnung unserer Welt. Aber auch die äußerst funktionale, feinabgestimmte Architektur der Physik und Chemie stellt Ordnung in einem, wie wir meinen, hinreichend klaren Sinne dar.
Wir können Ordnung also wie folgt definieren: Ein komplexes System weist ein besonderes, wohldefiniertes Merkmal auf und dieses Merkmal kann nur durch eine statistisch unwahrscheinliche Anordnung seiner Bestandteile bzw. eine statistisch unwahrscheinliche Einstellung seiner Parameter realisiert werden. „Komplex“ bedeutet, dass das System aus einer Vielzahl von Einzelbestandteilen oder Parametern besteht, die (ganz oder weitgehend) unabhängig voneinander in unterschiedlicher Weise angeordnet oder eingestellt sein können.19 Kurz: Ordnung ist vorhanden, wenn ein System ein besonderes und statistisch unwahrscheinliches Merkmal besitzt.
Eine solche statistische Unwahrscheinlichkeit eines geordneten Systems ist nicht in jedem Fall gleichzusetzen mit seiner tatsächlichen Unwahrscheinlichkeit, da unsere Welt ja voll von geordneten Systemen ist und sie selbst ein solches ist. Statistisch sehr unwahrscheinliche Anordnungen können also in Wirklichkeit recht häufig und wahrscheinlich sein. Das ist kein Widerspruch. Denn die statistische Wahrscheinlichkeit eines geordneten Zustandes entspricht nur dann einer tatsächlichen Wahrscheinlichkeit, wenn diese Ordnung zufällig zustande gekommen sein sollte, also wenn es keinen Faktor gibt, der geordnete Zustände auswählt oder (stark) begünstigt. Die Unwahrscheinlichkeit verschwindet daher (oder wird signifikant verringert), wenn statt des Zufalls eine systematische Ursache für einen statistisch sehr unwahrscheinlichen Sachverhalt existiert. Voraussetzung ist natürlich, dass diese Ursache nicht wiederum selbst statistisch sehr unwahrscheinlich ist.
Zum Beispiel ist es statistisch extrem unwahrscheinlich, dass eine Person mehrfach hintereinander sechs Richtige im Lotto hat. Eine systematische Ursache wäre ein geschickter Betrug, der hier sehr viel wahrscheinlicher ist als ein bloßer Zufall. Der Betrüger (oder ein Komplize) wählt sozusagen aktiv spezielle, statistisch sehr unwahrscheinliche Ereignisse aus. Ein anderes Beispiel ist ein in den Sand geschriebener Text „wir waren da“. Systematisch kann ein solcher Text wohl nur so erklärt werden, dass irgendein sprachbegabtes Wesen diesen Text in den Sand geschrieben hat.20
Die statistische Unwahrscheinlichkeit wird dann zu einer tatsächlichen Unwahrscheinlichkeit, falls es solche systematischen Ursachen, die die Ordnungsmerkmale auswählen oder hinreichend stark begünstigen würden, nicht geben sollte. Das wäre so, wenn eine Person wirklich zufällig mehrfach hintereinander sechs Richtige im Lotto gehabt hätte oder der genannte Text durch ein Zusammenspiel von Wind und Wetter zustande gekommen sein sollte. Wir würden und sollten so etwas aber nie annehmen.21 Es ist ein Grundprinzip der Vernunft, Erklärungen stark zu bevorzugen, die reale, sehr unwahrscheinliche Zufälle ausschließen. Entsprechend verlangt die Vernunft angesichts geordneter Zustände systematische Erklärungen, also Angaben systematischer Ursachen; das sind Ursachen, die die zu erklärende Ordnung in einer nachvollziehbaren Weise auswählen. Eine systematische Erklärung liefert entsprechend einen klaren Grund, warum im System gerade das vorliegende spezifische Ordnungsmerkmal vorhanden ist.
Es ist ein zentrales Ordnungsmerkmal unseres Universums, dass biologisches Leben und sogar intelligente Lebewesen in ihm möglich sind. (Dieses Merkmal können wir, etwas plakativ, „Lebensfreundlichkeit“ nennen.) Dieses Ordnungsmerkmal ist mit einem weiteren Ordnungsmerkmal kombiniert, nämlich der mathematisch elegant formulierbaren Grundstruktur des Universums sowie der Verstehbarkeit dieser Struktur für einigermaßen intelligente Wesen, wie wir es sind. Diese Merkmale stellen eine komplexe und in vielerlei Hinsicht hochgradig spezifische, maßgeschneiderte Struktur dar. Ihre wichtigsten Aspekte sind:
1. Naturgesetze gelten immer und überall und sie ermöglichen z. B. auf molekularer Ebene Prozesse, die sehr präzise und vorhersagbar ablaufen.
2. Unsere physikalische Welt ist universell und elegant mathematisch strukturiert und für intelligente Wesen fundamental verstehbar, symbolhaft darstellbar und berechenbar.
3. Maßgeschneiderte Naturgesetze ermöglichen z. B. stabile und funktional geeignete Grundbausteine der Materie (Atome) und größere Ansammlungen der Materie im Universum durch die Schwerkraft.
4. Im Rahmen dieser Grundstruktur der Naturgesetze liegen die relevanten Naturkonstanten jeweils passend in dem häufig sehr schmalen Wertebereich, der für ein lebensfreundliches Universum nötig ist. Das betrifft zum Beispiel die Stärken der unterschiedenen Grundkräfte oder die Massen der Elementarteilchen.
5. Ein ausreichend großer Teil der Masse-Energie im Universum liegt in Form von Atomen vor, den Grundbausteinen des Lebens, was einer unvorstellbar (statistisch) unwahrscheinlichen Verteilung der Energie bzw. Masse im Universum entspricht.
6. Die Chemie dieser Grundbausteine erfüllt in mehrfacher Hinsicht die äußerst anspruchsvollen Anforderungen biologischen Lebens.
Natürlich können wir im Folgenden nicht in allen Fällen die statistischen Wahrscheinlichkeiten quantitativ angeben, die mit diesen Ordnungsaspekten unserer Welt einhergehen. Dies ist auch nicht nötig, weil wir Ordnung meistens zuverlässig intuitiv wahrnehmen können. Dennoch können wir in einigen beispielhaften Fällen Größenordnungen modellhaft ableiten.
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Normalerweise haben wir uns an die Ordnungsphänomene unserer Welt so sehr gewöhnt, dass wir sie als Selbstverständlichkeit ansehen oder gar nicht bewusst wahrnehmen. Vermutlich ist das bei den ganz grundlegenden Ordnungsphänomenen besonders ausgeprägt, wie sie in diesem und im nächsten Kapitel besprochen werden. In diesem Kapitel beschäftigen wir uns damit, dass in unserer materiellen Welt überhaupt Naturgesetze gelten, die darüber hinaus einige nützliche und interessante Eigenschaften besitzen. Im nächsten Kapitel werfen wir einen Blick auf einen faszinierenden Aspekt dieser naturgesetzlichen Struktur, nämlich ihre universelle und elegante mathematische Verfasstheit.
Was sind Naturgesetze? Als Vorbereitung für die Beantwortung dieser Frage überlegen wir uns, wie eine materielle Welt ohne Naturgesetze aussähe. Spontan (und zu Recht) würde man sagen, dass eine solche Welt völlig chaotisch wäre. Aber was heißt das? Zunächst müssen wir sehen, dass die Naturgesetze unserer Welt sozusagen eine Luxusvariante darstellen. Theoretisch könnten sie nämlich an verschiedenen Raumpunkten und Zeitpunkten unterschiedlich sein. Technisch gesprochen zeichnet sich unsere Welt aber durch eine Invarianz der Naturgesetze unter raumzeitlicher Verschiebung aus: Sie sind an jedem Ort und zu jeder Zeit gleich, wenigstens soweit unsere Daten reichen.22 Wir können, wenn wir gründlich genug arbeiten, ein bestimmtes Experiment heute und nächstes Jahr ausführen sowie in Deutschland, in Australien oder auf dem Saturnmond Titan und wir werden (wenn wir die z.T. abweichenden Randbedingungen berücksichtigen) immer die gleichen Resultate erhalten.
Wie wir bald sehen werden, wären sich ändernde Naturgesetze für Leben ungeeignet. Aber eine Welt mit veränderlichen Naturgesetzen ist nicht oder zumindest nicht zwingend das gleiche wie eine Welt ganz ohne Naturgesetze. Auch wenn Naturgesetze veränderlich wären, könnte man zumindest in milderen Fällen sagen, dass an Ort O und zum Zeitpunkt T zwischen zwei Elementarteilchen eine bestimmte Kraft wirkt oder dass dort und dann ein Objekt eine bestimmte Masse oder Ladung hat.23
Eine materielle Welt ganz ohne Naturgesetze wäre dagegen extrem. Es wäre wirklich eine Welt ohne physikalische Eigenschaften und damit auch ohne physikalische Objekte. Die Existenz von Naturgesetzen und die Existenz physikalischer Eigenschaften hängen wechselseitig voneinander ab. Physikalische Eigenschaften sind letztlich immer über bestimmte Messverfahren definiert.24 Eine bestimmte physikalische Eigenschaft zu haben heißt, dass ein Objekt sich in einer gegebenen Situation auf eine bestimmte Weise verhält und dabei beobachtet bzw. gemessen werden kann. Das Verhalten unter definierten Bedingungen entspricht einem Naturgesetz. Man kann z. B. die Masse eines Gegenstandes durch Wiegen messen, was die Gültigkeit verschiedener Naturgesetze voraussetzt. Z. B. wirkt auf einen Körper mit Masse m im Schwerefeld der Erde eine Kraft F. Das ist ein Naturgesetz, das hier vorausgesetzt werden muss. Wir können die Kraft mit einer Waage bestimmen (wozu weitere Naturgesetze vorausgesetzt werden müssen).
25de facto nichts26