Stell dir vor, es gäbe eine Theorie, die das ganze Universum beschreibt. Mit dieser sogenannten Weltformel kannst Du nicht nur gegenwärtige Phänomene erklären, sondern auch die zukünftige Entwicklung des Kosmos berechnen.
Doch wäre eine solche Theorie tatsächlich möglich? Genau diese Frage wirft das Gedankenexperiment zum Laplace'schen Dämon auf.
Laplace'scher Dämon Physik
Die Suche nach dieser Weltformel ist bis heute der Traum vieler Physiker*innen und geht auf die Anfänge der klassischen Mechanik zurück. Im 17. und 18. Jahrhundert erlebte die Wissenschaft einen Aufschwung. Mit der Strömung der Aufklärung suchten die Menschen nach Erklärungen jenseits den kirchlichen Lehrmeinungen und wollten die Natur verstehen.
In dieser Zeit veröffentlichte der Universalgelehrte Isaac Newton seinen Werk Philosophiae Naturalis Principia Mathematica (Mathematische Prinzipien der Naturphilosophie). Darin beschrieb er die Bewegung von Objekten in drei Axiomen, die heute als die drei Newtonsche Gesetze bekannt sind.
Alles zu den drei newtonschen Gesetzen findest Du in den entsprechenden Artikeln.
Dies markierte den Beginn der klassischen Mechanik und es wurde möglich, die Bewegungen von Körpern vorherzusagen. Zusammen mit den Gesetzen und Theorien von Galileo Galilei und Johannes Kepler konnten sogar die zukünftigen Bahnen von Himmelskörper beschrieben werden.
Diese neue Fähigkeit, die Natur zu beschreiben, war der Nährboden für den Gedanken irgendwann alle Phänomene des Kosmos durch physikalische Gesetze beschreiben zu können. Daraus entsprang ein bekanntes Gedankenexperiment des französischen Mathematikers Simon Pierre Laplace.
Laplace'scher Dämon einfach erklärt
In seinem Gedankenexperiment nahm Laplace an, es wäre möglich, den gesamten Verlauf des Universums mathematisch beschreiben zu können:
(...) Eine Intelligenz, die in einem gegebenen Augenblick alle Kräfte kennt, mit denen die Welt begabt ist, (...) und die überdies umfassend genug wäre, diese Kenntnisse der Analyse zu unterwerfen (...) würde in der gleichen Formel die Bewegungen der größten Himmelskörper und die des leichtesten Atoms einbegreifen.
Laplace war überzeugt, dass in unserem Universum jedes Ereignis B auf ein vorangegangenes Ereignis A zurückzuführen sei. Gleichzeitig sind alle zukünftigen Ereignisse C eine Folge des gegenwärtigen Zustands des Universums.
Er nahm dazu eine Intelligenz an, die alle Gesetze des Universums kennt und anwenden kann. Wenn diese Intelligenz nun detailliertes Wissen über den Zustands jedes Objekts im Universum besitzt, so könnte sie diese Gesetze auf die Gegenwart anwenden:
Nichts wäre für sie ungewiss, Zukunft und Vergangenheit lägen klar vor ihren Augen.
Zwei aufeinanderfolgende Zustände sind durch die physikalischen Gesetze miteinander verbunden wie die Glieder einer Kette.
Kennst Du einen der beiden Zustände und das verbindende physikalische Gesetz, so kannst Du nach Laplace auch den anderen berechnen. Damit kannst Du von dem jetzigen Glied die Kette der Ereignisse bis zum Anbeginn des Universums oder bis in alle Ewigkeit verfolgen.
Laplace'scher Dämon Definition
Nach Laplace sollte es also möglich sein, durch physikalische Gesetze die Zukunft aus der Gegenwart vollständig abzuleiten.
Der Laplace'sche Dämon ist eine Intelligenz aus einem Gedankenexperiment von Simon Pierre Laplace. Diese Intelligenz kennt alle physikalische Gesetzmäßigkeiten und Zustände des Universums. Durch die Anwendung der Gesetze auf die Gegenwart, ist es ihr möglich sowohl Vergangenheit als auch Zukunft eindeutig zu beschreiben.
Erst später wurde die Intelligenz als Dämon bezeichnet. Das Gedankenexperiment setzt voraus, dass das Universum einer lückenlosen Kausalkette folgt. Jedes Ereignis ist eine Konsequenz aller vorhergegangener Ereignisse.
Unter Kausalität verstehst Du das Prinzip, dass jedes Ereignis eine Ursache und eine Wirkung besitzt.
Alles zu dem Thema findest Du im Artikel starke und schwache Kausalität, zusammen mit der Antwort auf die Frage, ob Schokolade deine Chancen auf einen Nobelpreis erhöht.
Kausalität scheint für uns zunächst ziemlich intuitiv zu sein. Im Alltag erlebst Du oft, wie ein Ereignis zum nächsten führt. Doch lässt sich dieses Prinzip auf das ganze Universum anwenden?
Laplace'scher Dämon Determinismus
Der Laplace'sche Dämon ist eng mit dem Prinzip des Determinismus verbunden. Die Vorstellung, dass jedes Ereignis von vornherein bestimmt ist. Diese Vorbestimmung muss nicht notwendigerweise durch einen Gott oder ein übernatürliches Wesen festgelegt sein, sondern kann eine Konsequenz physikalischer Gesetze sein.
Unter Determinismus verstehst Du eine Weltsicht, die davon ausgeht, dass alle Ereignisse von vornherein durch bestimmte Gesetzmäßigkeiten eindeutig festgelegt sind.
Das Gegenteil von Determinismus ist der Indeterminismus.
Du kannst den Determinismus als eine sehr strickte Interpretation der Kausalität verstehen. Demnach kannst Du jedes Ereignis auf ein voriges zurückverfolgen. Gehst Du immer einen Schritt zurück landest Du irgendwann beim Urknall. Seit dem Beginn des Universums wäre demnach sein Verlauf bis in alle Ewigkeit (oder bis zum Ende des Universums) vorherbestimmt.
Das Universum gleicht also einer perfekten mechanischen Uhr. Jedes Ereignis folgt auf ein anderes wie das stetige ticken eines Uhrwerks. Du sprichst von einem Clockwork Universe (Uhrwerkuniversum).
Auf den ersten Blick scheint dieses Prinzip ziemlich cool, denn wenn es eine Weltformel gäbe, dann könntest Du damit theoretisch die Zukunft vorhersagen. Doch ist ein solches Universum überhaupt wünschenswert? Mehr dazu in der Vertiefung.
Angenommen jedes noch so kleine Ereignis ist Konsequenz eines vorangegangenen Ereignis. Was würde das für den freien Willen bedeuten?
Der freie Wille ist die Vorstellung, dass Du Dich zwischen verschiedenen Optionen entscheiden kannst und somit für Dein Handeln verantwortlich bist. Doch wenn der Determinismus wahr ist, so ist jede Deiner Entscheidungen vorherbestimmt. Laplaces Dämon kann jede einzelne Entscheidungen in deinem Leben vorhersagen, noch bevor Du überhaupt geboren bist.
Der freie Wille wäre also demnach nichts weiter als eine Illusion.
Ob unser Universum grundlegend Deterministisch ist, ist noch immer nicht geklärt. Es gibt sowohl Befürworter als auch Gegner dieser Weltsicht. Sehr viele suchen auch nach einer Art des Determinismus, die noch Raum für freie Entscheidungen lässt. Das bezeichnest Du als weichen Determinismus.
Einen so strikten Determinismus wie Laplace ihn sich vorstellte, bildet heute allerdings nur noch selten die Grundlage für ernsthafte Diskussionen. Dies ist vor allem auch auf neue Erkenntnisse aus der Physik zurückzuführen.
Laplace'scher Dämon Argumente
In der klassischen Physik gehst Du meist von strikter Kausalität aus: auf Ereignis A folgt Ereignis B folgt Ereignis C.
Deshalb ist es nachvollziehbar, dass sich die Menschen mit dem Beginn der klassischen Mechanik durchaus die Idee des Laplace'schen Dämons vorstellen konnten. Doch inzwischen haben Physiker*innen festgestellt, dass der Laplace'sche Dämon mit anderen Bereichen der Physik nicht vereinbar ist.
Relativitätstheorie
Nach der speziellen Relativitätstheorie von Albert Einstein gibt es eine Obergrenze für die Geschwindigkeit, mit der sich Objekte in unserem Kosmos fortbewegen können: die Lichtgeschwindigkeit. Nichts kann schneller als die Lichtgeschwindigkeit werden, das gilt auch für die Übertragung von Informationen.
Wenn Du in einer wolkenfreien Nacht in den Himmel schaust, erreicht dich das Licht von Sternen, welche teilweise Millionen von Lichtjahren entfernt sind. Das bedeutet, das Licht braucht Millionen von Jahren bis es bei uns ankommt. Ein Blick in den Nachthimmel gleicht also einem Blick in die Vergangenheit.
Dich interessiert die spezielle Relativitätstheorie? Mehr dazu kannst Du in den entsprechenden Artikeln lesen.
In dem Gedankenexperiment von Laplace kennt die Intelligenz den Zustand jedes Teilchens im gesamten Universum. Allerdings ist unser Universum enorm groß und dehnt sich ständig weiter aus. Die Information braucht also eine gewisse Zeit, um bei der Intelligenz anzukommen.
Nach der speziellen Relativitätstheorie kann die Informationen über den Zustand eines Objekts maximal mit der Lichtgeschwindigkeit übertragen werden.
Angenommen ein Teilchen, das sich 10.000 Lichtjahre von der Intelligenz entfernt befindet, ändert seine Richtung. Dann kann die Intelligenz dies erst 10.000 Jahre später wissen. Es ist also niemals möglich den Zustand des gesamten Universums gleichzeitig vollständig zu erfassen.
Chaostheorie
In den letzten Jahren hat die Chaostheorie besonders aufgrund ihrer Rolle bei Wettervorhersagen an Bedeutung gewonnen. Doch auch sie scheint ein großes Hindernis für den Laplace'schen Dämon zu sein.
Die Chaostheorie besagt, dass kleine Änderung im Ausgangszustand enorme Auswirkungen auf das Ergebnis haben können.
Das bekannteste Beispiel in diesem Kontext ist wohl der sogenannte Schmetterlingseffekt von einem der ersten Chaosforscher Edward Lorenz.
Lorenz stellte die Frage, ob der Flügelschlag eines Schmetterlings in Brasilien einen Tornado in Texas auslösen könnte.
Dies soll die Sensitivität eines chaotischen Systems zu scheinbar bedeutungslosen Ereignissen demonstrieren.
Zu solchen chaotischen Systemen gehören neben dem Wetter auch Turbulenzen in Flüssigkeiten oder magnetische Pendel.
Was bedeutet dies für Laplaces Dämon? Nach der Chaostheorie ist der zukünftige Zustand mancher chaotischen Systeme nicht berechenbar ist.
Allerdings weisen einige Physiker*innen darauf hin, dass dies an unseren unvollständigen Kenntnissen über den Ursprungszustand des Systems liegt.
Informationsgrenzen
Angenommen der Dämon würde dennoch irgendwie alle Zustände eines Systems im Detail kennen. Aufgrund des chaotischen Zustands mancher Systeme muss der Dämon enorm viele Variablen und Wechselwirkungen beachten, dadurch steigt sein Rechenaufwand exponentiell.
Ein bekanntes Beispiel ist das drei-Körper-Problem aus der Astrophysik. Dabei geht es um drei Objekte, die sich gegenseitig gravitativ anziehen. Bis auf einen Spezialfall ist es uns bisher mathematisch nicht gelungen, die Bewegungen der drei Objekte auf lange Zeit vorauszusagen. Wenn bereits drei Körper mathematisch zu komplex sind, stell Dir vor, wie sich dies mit dem gesamten Universum verhält!
Damit bräuchte der Dämon etwa so viel Zeit, den Zustand zu berechnen wie es dauert, bis der Zustand tatsächlich eingetreten ist.
Quantenmechanik
Die bekannteste Interpretation der Quantenmechanik ist wohl die Kopenhagener Deutung: eine Sammlung von Theorien zu den oft seltsamen Phänomenen der Quantenwelt. Eine wichtige Theorie ist die Heisenbergsche Unschärferelation.
Nach der Heisenbergschen Unschärferelation sind bestimmte Paare an Zuständen eines Quantensystems nicht gleichzeitig exakt bestimmbar. Solche Paare bezeichnest Du als komplementär.
Je genauer Du zum Beispiel den Ort eines Teilchen kennst, desto weniger kannst Du über seinen Impuls wissen. Umgekehrt gilt: je genauer Du den Impuls kennst, desto weniger kannst Du über den Aufenthaltsort aussagen.
Stattdessen arbeitest Du in der Quantenmechanik vor allem mit Wahrscheinlichkeiten. Du kannst also eine gewisse Wahrscheinlichkeit angeben, dass das Teilchen an einem bestimmten Ort ist. Allerdings kann sich das Teilchen auch mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit an einem anderen Ort aufhalten.
Alles zur Heisenbergschen Unschärferelation findest Du im gleichnamigen Artikel.
Diese Theorie bildet damit eine Grenze für die Menge an Informationen, die über jedes Teilchen bekannt sein können. Der Dämon kann also, wenn die Quantenphysik wahr ist, nicht den genauen Zustand jedes Teilchens im Universum kennen. Gleichzeitig sind quantenmechanische Prozesse aufgrund der Wahrscheinlichkeiten Zufallsprozesse. Mehr zu dem Thema Zufall in der Quantenmechanik kannst Du im gleichnamigen Artikel nachlesen.
Weltformel
Relativitätstheorie, Chaosforschung und Quantenmechanik scheinen gegen die Existenz des Laplace'schen Dämons zu sprechen. Die Idee dieses Gedankenexperiments ist natürlich nicht, eine übernatürlichen und allwissenden Dämon anzunehmen. Viel mehr steckt im Kern von Laplaces Überlegungen die Frage, ob wir Menschen jemals in der Lage sein werden, die Zukunft durch physikalische Gesetze vorherzusagen: der Traum von der Weltformel.
Wenn Du forderst, dass wir Menschen wie Laplaces Dämon zukünftige Zustände des gesamten Universums vorhersagen zu können, dann lautet die Antwort mit großer Wahrscheinlichkeit nein.
Auf Quantenebene gibt es Grenzen über die Menge an Informationen, die Du zu jedem Zeitpunkt besitzen kannst. Auf makroskopischer Ebene gibt es Grenzen, wie schnell Du Informationen erhalten kannst. Hinzu kommt die Zeit, die Du bräuchtest, um die Informationen zu verarbeiten.
Allerdings können wir Menschen so gut es geht versuchen, die Welt um uns herum zu beschreiben. Niemand muss wissen, was am anderen Ende des Universums passiert, weil uns die Effekte dort niemals erreichen können. Deshalb wird der Begriff Weltformel heute in einem anderen Kontext verwendet.
In vielen Aspekten widersprechen sich Relativitätstheorie und Quantenmechanik, obwohl beide Theorien sehr gut bestätigt sind. Das Ziel einer Weltformel (Theorie of Everything) ist im Moment die Teilgebiete der Physik durch eine einheitliche Theorie zu beschreiben. Und wer weiß, vielleicht lernst Du irgendwann tatsächlich nur eine Theorie, die zumindest theoretisch alle Phänomene des Kosmos beschreibt.
Laplacescher Dämon – Das Wichtigste
- Der Laplace'sche Dämon ist eine Intelligenz aus dem Gedankenexperiment von Simon Pierre Laplace.
- Durch die umfassenden Kenntnisse des Dämons über die Zustände und Gesetzmäßigkeiten des Universums kann dieser sowohl Zukunft als auch Vergangenheit eindeutig beschreiben.
- Unter Kausalität verstehst Du das Prinzip, dass jedes Ereignis eine Ursache und eine Wirkung besitzt.
- Unter Determinismus verstehst Du eine Weltsicht, die davon ausgeht, dass alle Ereignisse von vornherein durch bestimmte Gesetzmäßigkeiten eindeutig festgelegt sind.
- Nach der speziellen Relativitätstheorie können Informationen maximal mit Lichtgeschwindigkeit übertragen werden. Die Information braucht also eine gewisse Zeit, um bei der Intelligenz anzukommen.
- Die Chaostheorie besagt, dass kleine Änderung im Ausgangszustand enorme Auswirkungen auf das Ergebnis haben können. Der Rechenaufwand, um einen Zustand unter Beachtung aller Teilchen und ihrer Wechselwirkungen vorherzusagen ist enorm.
- Nach der Heisenbergschen Unschärferelation sind bestimmte Paare an Zuständen eines Quantensystems nicht gleichzeitig exakt bestimmbar. Solche Paare bezeichnest Du als komplementär. Die Intelligenz kann also nicht genau alle Zustände eines Teilchens zur selben Zeit kennen.
- Früher war das Ziel einer Weltformel, alle Zustände im Kosmos berechnen zu können. Heute versucht die sogenannte Theory of everything Quantenmechanik und Relativitätstheorie zu vereinen.
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