| Mentale Experimente sind Hilfsmittel der Vorstellungskraft, um die Natur der Dinge zu untersuchen. Es handelt sich um eine logische Überlegung zu einem Experiment, das praktisch nicht durchführbar ist, dessen Konsequenzen aber durch Vorstellungskraft, Physik oder Mathematik erforscht werden können. |
Mentale Experimente wurden schon immer in der Philosophie, Physik und anderen Bereichen eingesetzt. In der Philosophie werden sie seit der griechischen Antike verwendet, einige gehen bis in die Zeit vor Sokrates zurück. In der Physik und anderen Wissenschaften stammen sie aus dem 19. und vor allem aus dem 20. Jahrhundert. Aber wir können frühe Beispiele wie Galileo finden.
Mentale Experimente sind Hilfsmittel der Vorstellungskraft, um die Natur der Dinge zu untersuchen. Es handelt sich um eine logische Überlegung zu einem Experiment, das praktisch nicht durchführbar ist, dessen Konsequenzen aber durch Vorstellungskraft, Physik oder Mathematik erforscht werden können. Dazu wird normalerweise ein imaginäres Szenario verwendet, um zu verstehen, wie ein bestimmtes Ereignis eintritt. Das Verständnis kommt durch das Nachdenken über dieses Szenario.
Es gibt viele Möglichkeiten, Gedankenexperimente zu klassifizieren, zum Beispiel Wissenschaft versus Philosophie. Die Hauptunterteilung ist jedoch konstruktiv versus destruktiv. Das heißt, ein Gedankenexperiment kann positiv verwendet werden, um eine Theorie zu begründen, oder es kann negativ verwendet werden, um eine Theorie zu widerlegen.
In der Philosophie präsentiert ein typisches Gedankenexperiment ein vorgestelltes Szenario mit der Absicht, eine intuitive Antwort darüber zu erhalten, wie die Dinge in diesem Experiment sind. Ein Gedankenexperiment ist typischerweise so angelegt, dass es sich mit einem bestimmten Begriff befasst, z. B. mit Moral, der Natur des Geistes oder einer sprachlichen Referenz. Dieses Szenario kann real oder imaginär sein, und es muss in irgendeiner Weise erlebbar sein. In vielen Gedankenexperimenten wäre das Szenario nach den Naturgesetzen möglich. Das heißt, wir können es empirisch überprüfen. Andere Arten von Experimenten sind in der Praxis jedoch nicht umsetzbar. In diesen Fällen verlassen wir uns auf unsere Intuition, um sie zu lösen. Im Allgemeinen wird erwartet, dass es eine allgemeine Übereinstimmung über die Intuitionen gibt, die das Gedankenexperiment hervorruft.
Ein erfolgreiches Gedankenexperiment wird also eines sein, bei dem die Intuitionen darüber weithin geteilt werden. Daraus ergibt sich einer der wichtigsten Kritikpunkte, die an Mentalexperimenten hinsichtlich der Zuverlässigkeit unserer Intuitionen geäußert wurden.
Eine andere Art von Szenario besteht darin, sich Menschen in einer bestimmten Situation vorzustellen und sich zu fragen, was sie tun könnten.
Betrachtet man die Entwicklung der Diskussion von Gedankenexperimenten in den letzten dreißig Jahren, so kann man sagen, dass Gedankenexperimente in erster Linie ein wichtiges Thema in der Wissenschaftsphilosophie war, bevor der Geltungsbereich zu einem späteren Zeitpunkt ausgeweitet wurde. Für diesen Weg gibt es einen einfachen Grund. Im Zentrum der Diskussion steht eine relativ einfache erkenntnistheoretische Herausforderung, die durch zahlreiche Gedankenexperimente, die die Wissenschaftsgeschichte zu bieten hat, auf besonders eindringliche Weise dargestellt wird. Sie suggerieren, dass wir etwas über die reale Welt lernen können, indem wir einfach über imaginäre Szenarien nachdenken.
Oft ist ein reales Experiment, das einem Gedankenexperiment entspricht, aus physikalischen, technologischen oder finanziellen Gründen unmöglich. Dies ist jedoch keine notwendige Bedingung für die Definition eines Gedankenexperiments. Wichtig ist, dass der Mensch durch das Denken, durch seine Intuition, die Naturgesetze in den Griff bekommt.
Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass die Gesamtentropie eines geschlossenen Systems niemals abnimmt. Greift man auf eine einfache Definition des Begriffs Entropie zurück, so kann sie als der Grad der Unordnung eines Systems verstanden werden. Sie kann auch als Maßeinheit betrachtet werden, d. h. als eine thermodynamische Größe, die den Teil der Energie misst, der nicht zur Verrichtung von Arbeit verwendet werden kann.
Nach James Clerk Maxwell (1831-1879) eine der am besten etablierten Tatsachen in der Thermodynamik ist die Unmöglichkeit, Ungleichheit ohne Verlust von Arbeit in einem geschlossenen System, in dem Volumenänderung und Wärmeübertragung verhindert werden und in dem Temperatur und Druck im gesamten System gleich sind. Dieser zweite Hauptsatz der Thermodynamik ist unbestreitbar, wenn man bedenkt, dass es nur möglich ist, Körper mit Masse zu manipulieren, dass wir also nicht die Macht haben, die Moleküle, aus denen die Masse von Körpern entsteht, isoliert wahrzunehmen oder zu manipulieren (Maxwell 1871, 308). Maxwell war ein schottischer Physiker, bekannt für die Entwicklung der klassischen elektromagnetischen Theorie. Er entwickelte ein Gedankenexperiment, das als „Maxwells Dämon“ bekannt ist und die kinetische Theorie der Gase testet. Zu dieser Zeit begann diese Theorie gerade durch Rudolf Julius Emmanuel Clausius (1822-1888), Ludwig Eduard Boltzmann (1844-1906) und Maxwell selbst Früchte zu tragen.
Bekanntlich arbeitet die kinetische Theorie der Gase auf der mikroskopischen Ebene, während der zweite Hauptsatz der Thermodynamik auf der makroskopischen Ebene arbeitet. Am Ende seines berühmten Buches „A Theory of Heat“ von 1871 fragte sich Maxwell, ob es möglich sei, die Moleküle eines Gases so anzuordnen, dass der zweite Hauptsatz der Thermodynamik auf mikroskopischer Ebene verletzt wird. Um diese Frage zu beantworten, stellte er sich ein Wesen (den berühmten Dämon) vor, dessen Kräfte so präzise waren, dass es ihm ohne weiteres möglich war, den Weg jedes sich bewegenden Moleküls zu verfolgen. Wenn diese Entität existierte, so Maxwells Überlegung, könnte sie tatsächlich das tun, was für uns prinzipiell unmöglich ist: eine Maschine erfinden, die verschiedene Aufgaben ausführt, ohne überhaupt Arbeit zu verwenden.
Um sein Gedankenexperiment zu erarbeiten, ging Maxwell von zwei theoretisch-begrifflichen Voraussetzungen aus. Die erste ist, dass sich nicht alle Moleküle in einem Gas mit der gleichen Geschwindigkeit bewegen. Einige bewegen sich mit niedrigen Geschwindigkeiten, andere mit sehr hohen Geschwindigkeiten; die meisten bewegen sich jedoch mit durchschnittlichen Geschwindigkeiten. Die zweite Annahme ist, dass die Temperatur von Gasen durch jeden Mechanismus, der in der Lage ist, die Durchschnittsgeschwindigkeit zu erhöhen, ansteigen kann, d.h. je höher die Durchschnittsgeschwindigkeit, desto heißer wird das Gas. Mit diesen beiden Annahmen im Hinterkopf stellen wir uns vor, so Maxwell, dass ein Dämon zwei Behälter manipuliert – Behälter A und Behälter B -, die durch ein geschlossenes System miteinander verbunden sind, das das System mit Gas füllt. Der Dämon kann das System nach Belieben schließen und öffnen, und da er in der Lage ist, jedes Molekül zu sehen, das es durchläuft, lässt er nur die leichteren Moleküle von Behälter A nach Behälter B und nur die langsameren von Behälter B nach Behälter A passieren. Wenn dies möglich wäre, so Maxwells Behauptung, könnte der Dämon die Temperatur von Behälter B erhöhen und die Temperatur von Behälter A nach Belieben senken, was dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik widerspricht (Maxwell 1871, 308 und 309).
Ich werde nun das obige Gedankenexperiment im Detail überprüfen. Das Ziel des Dämons ist es, Wärme aus dem kälteren Behälter in den heißeren Behälter zu pumpen bzw. zu übertragen, und dazu agiert er wie folgt: Er öffnet das System und lässt ein Molekül durch und erhöht die durchschnittliche Molekulargeschwindigkeit des heißen Gases, während er gleichzeitig die durchschnittliche Geschwindigkeit des kalten Gases verringert. Es gibt mindestens zwei Möglichkeiten, dies zu tun: a) man lässt die schnelleren Moleküle aus dem Behälter mit dem kälteren Gas austreten – was diesen abkühlt – während man die Temperatur des heißen Gases erhöht, und b) man lässt die langsameren Moleküle aus dem heißeren Behälter austreten, was die Durchschnittsgeschwindigkeit derjenigen Moleküle erhöht, die im Behälter verbleiben und dessen Temperatur erhöhen.
Man kann beachten, dass in beide Richtungen gleich viele Moleküle vorübergehen und somit die Massen des heißen und kalten Gases unverändert bleiben. Daher ändert sich auch das Volumen der beiden Gase nicht. Mit diesem Mechanismus könnte der Dämon die Temperatur des Kaltgasbehälters senken, ohne ihn an einen noch kälteren Behälter anschließen zu müssen, d. h. der Behälter selbst würde die Energiemenge liefern, die erforderlich ist, um die Temperatur des Kaltgases aufrechtzuerhalten. In ähnlicher Weise würde das heiße Gas eine ausreichende Wärmemenge abstoßen und seine Temperatur auf einem konstanten Wert halten. Auf diese Weise könnte die vom Heißgas abgegebene Wärme zum Betrieb einer Maschine genutzt werden, ohne dass dabei Arbeit anfällt oder verloren geht.
Leider ist es unmöglich, eine Maschine mit diesen Eigenschaften zu schaffen, trotz des von Maxwell vorgeschlagenen Gedankenexperiments. Der Grund dafür ist, dass der Dämon nicht aus dem System ausgeschlossen werden kann, da er mit den Molekülen interagieren muss, um deren jeweilige Geschwindigkeiten zu messen. Die vom Dämon – oder von einem beliebigen instrumentalisierten Mechanismus des Dämons – durchgeführte Messung erfordert einerseits einen Energieaustausch mit den Molekülen und andererseits, dass ein Teil der dabei freigesetzten Energie den Dämon – oder den instrumentalisierten Mechanismus – „füttert“, damit er arbeiten oder funktionieren kann. Zusammenfassend zeigt uns Maxwells Gedankenexperiment, dass sowohl der Dämon als auch jeder instrumentalisierte Mechanismus <i>Energie benötigen</i>, um ihre Selektions- und Messarbeit zu verrichten, daher ist es nicht möglich, eine Maschine zu bauen, die in der Lage ist, bestimmte Funktionen auszuführen, ohne die Verrichtung bestimmter Arbeit zu erfordern.
Ein solches Gedankenexperiment zu akzeptieren, ohne sich ein wenig unwohl zu fühlen, wäre absurd, da wir wissen, dass es nicht mit dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik übereinstimmt, also können wir versuchen, den Fehler in dem von Maxwell präsentierten Vorschlag zu finden. Wenn wir die Situation analysieren, können wir sehen, dass der Dämon in den Prozess der Erfüllung seiner Arbeit Schließen und Öffnen der Tür für den Durchgang der Moleküle sicherlich erzeugt Wärme, so wäre dies die zusätzliche Arbeit, die in das System eingeführt wird. Wenn wir uns nun eine andere Situation vorstellen, in der der Dämon seine Aufgabe nicht korrekt erfüllt und die Tür zufällig öffnet und schließt, würde immer noch die gleiche Menge an Arbeit hineingelangen, aber dieses Mal mit der Ausnahme, dass es keine Arbeit gibt, die aus dem System herausgeht, so dass wir den Anstieg der universellen Entropie nicht sehen würden, und man würde eindeutig denken, dass Maxwell einen Weg gefunden hat, das zweite Gesetz zu brechen.
Obwohl Szilard den Fehler im System fast ein halbes Jahrhundert später finden würde, was vielleicht die am wenigsten erwartete Antwort ist, beschäftigt und „täuscht“ Maxwells Gedankenexperiment weiterhin Wissenschaftler und Philosophen. Obwohl es allgemein anerkannt ist, dass Gedankenexperimente in der Wissenschaft nützliche Ergebnisse liefern können, sind sie nicht unfehlbar. Gedankenexperimente können und werden oft falsche Ergebnisse liefern. Allerdings sind Gedankenexperimente für die Wissenschaftsphilosophie von großer Hilfe, wenn sie als Argumente verwendet werden, wie Norton in seiner The Reliability Thesis argumentiert: Wenn Gedankenexperimente zuverlässig epistemisch verwendet werden können, müssen sie Argumente (in einem sehr weiten Sinne) sein, die ihre Ergebnisse rechtfertigen, oder sie müssen als solche Argumente rekonstruiert werden können.
Wie wir abschließend feststellen können, hat uns dieses kleine Gedankenexperiment von Maxwell geholfen, deutlicher zu verstehen, dass der zweite Hauptsatz der Thermodynamik über allem steht, aber dennoch ist es möglich, gedanklich mit Gegenargumenten zu experimentieren.
Literaturverzeichnis:
BRILLOUIN, L.: “Science and information theory”, in Academic Press, London, 1962.
MACH, E.: „Erkenntnis und Irrtum“. Link: http://www.zeno.org/nid/20009213465 (Letzter Zugang am 08.07.2021), 183-201. MAXWELL, C.: “Theory of Heat”. 1871.
NORTON, JOHN D.: “On thought experiments: Is there more to the argument?”, in: Proceedings of the 2002 Biennial Meeting of the Philosophy of Science Association. Philosophy of Science 71, 1139-1151, 2004.
NORTON, JOHN D. AND EARMAN, J.: “Exorcist XIV: The Wrath of Maxwell’s Demon. Part I. From Maxwell to Szilard”, in: Studies in History and Philosophy of Modern Physics</i> 29 (4):435-471, 1998.
SZILARD, L.: „Über die Entropieverminderung einem thermodynamischen System bei Eingriffen intelligenter Wesen“, in Z. Physik, 53: 840-856, 1929.