Das anthropische Prinzip

Das anthropische Prinzip

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Philipp Wehrli, 4. März 2006

Unser Universum ist geradezu perfekt darauf abgestimmt, bewusst denkende Beobachter hervorzubringen. Nach dem anthropischen Prinzip ist diese überragende Feinabstimmung notwendig: “Die Umgebung, die ein bewusst denkender Beobachter wahrnimmt, ist so, dass ein bewusst denkender Beoabachter in dieser Umgebung überleben kann.” Diese Aussage scheint je nach Auslegung trivial oder falsch. Als Richtlinie kann das anthropische Prinzip aber sehr wertvoll sein, wenn jemand sich Gedanken macht über seine Stellung im Universum, wenn er sich fragt, welche anderen Lebewesen möglicherweise ebenfalls zu den bewusst denkenden Lebewesen zählen oder wie der unbeobachtete Teil des Universums aussehen könnte.

1. Zwei Interpretationen des anthropischen Prinzips

Das anthropische Prinzip besagt: “Die Umgebung, die ein bewusst denkender Beobachter wahrnimmt, ist so, dass ein bewusst denkender Beoabachter in dieser Umgebung überleben kann.” Dieser Satz wird auf zwei unterschiedliche Arten interpretiert:

Schwaches anthropisches Prinzip
Nach der schwachen Interpretation ist das anthropische Prinzip als Mahnung vor möglichen Fehlschlüssen zu verstehen. Wir müssen damit rechnen, dass das, was wir am häufigsten beobachten, nicht das ist, was in der Welt am häufigsten vorkommt. Wenn bewusst denkende Lebewesen nur an sehr speziellen Umständen entstehen und leben können, dann sehen sie immer etwas sehr Spezielles. Es bringt dann nichts, darüber zu grübeln, weshalb unsere Umgebung sehr speziell ist.

Starkes anthropische Prinzip
Das starke anthropische Prinzip sieht das Bewusstsein als Ziel des Universums. Ein Universum ohne bewusst denkende Beobachter ist nicht denkbar. Deshalb muss das Universum und die Naturgesetze gezielt so gemacht sein, dass es die Entstehung von Beobachtern in ihm in manchen Phasen erlaubt.

Kritik
Das starke anthropische Prinzip verstösst meiner Ansicht nach gegen das Ökonomieprinzip. Ein bewusst formuliertes Ziel ist immer komplizierter als eine ungesteuerte Entwicklung. Ich gehe aber auf diese Version nicht weiter ein.

Aus Sicht der schwachen Version ist der Begriff “anthropisches Prinzip” denkbar unpassend. Denn erstens klingt er anthropozentrisch und suggeriert, dass die Naturgesetze sich irgendwie nach dem Menschen richten sollen, was nur in der starken Version der Fall ist. Und zweitens handelt es sich nicht um ein in den Naturgesetzen vorgegebenes Prinzip, vergleichbar mit dem Äquivalenzprinzip von Einstein oder das Paulische Ausschliessungsprinzip, sondern um eine Regel, wie Beobachtungen interpretiert werden sollen. Ich nenne das schwache anthropische Prinzip deshalb lieber die Beobachter-Regel. Denn das ist es. Die Beobachter-Regel zeigt einen Weg aus der anthropozentrischen Sicht, indem sie uns vor den Fehlschlüssen warnt, die dadurch entstehen, dass wir als bewusst denkende Beobachter notgedrungen immer von unseren Wahrnehmungen abhängig sind und so nie ein objektives Bild der Welt haben können.

Die Beobachter-Regel, also das schwache anthropische Prinzip, wurde kritisiert, weil sie trivial sei. Viele Leute denken, aus einem trivialen Satz können keine tiefgründigen Schlussfolgerungen gezogen werden. Ich versuche anhand einiger Beispiele zu zeigen, dass mit Hilfe der Beobachter-Regel durchaus überraschende Schlüsse gezogen werden können.

2. Der Trugschluss vom überfüllten Zug

Wie der Artikel über Das Induktionsprinzip zeigt, hat man im allgemeinen gute Aussicht auf Erfolg, wenn man annimmt, dass das, was man in der Vergangenheit mehrheitlich beobachtete, dem entspricht, was in der Welt ganz allgemein am häufigsten vorkommt. Es gibt aber einen bemerkenswerten Fall, bei dem diese Regel versagt. Dieser Fall ist umso interessanter, als wir ihn täglich antreffen, zum Beispiel im Zug.

Viele Zugpassagiere sind überzeugt, dass Züge mehrheitlich überlastet sind. Sie können dies auch belegen, denn sie fahren ja selber häufig Zug, und sie sehen, dass diese Züge öfters voll sind als leer. Der Pressesprecher der Schweizerischen Bundebahnen (SBB) hingegen beharrt darauf, es gebe weit mehr fast leere Züge, als überfüllte. Wie kommt dieser Widerspruch zustande?

Ganz einfach: Wenn ein Zug überfüllt ist, so sehen einige Hundert Menschen einen überfüllten Zug. Wenn ein Zug fast leer ist, so merken das nur ganz wenige Passagiere und der Kontrolleur, der es dem Pressesprecher erzählt.

Mit anderen Worten: Wenn ich fast nur überfüllte Züge sehe, so bedeutet das nicht, dass es fast nur überfüllte Züge gibt. Sondern es bedeutet nur, dass -vermutlich- überfüllte Züge viel häufiger gesehen werden als fast leere. Dies hat auch überhaupt nichts mit den Stosszeiten zu tun. Auch wenn die SBB die Stosszeiten optimal mit Entlastungszügen überbrückt, so dass es nur noch ganz wenige überfüllte Züge gibt, so werden immer noch mehr Passagiere in überfüllten Zügen sitzen als in leeren (sonst wären die Züge ja nicht überfüllt).

Machen wir ein Beispiel mit Zahlen: Ich betrachte zwei Züge und fünf Personen, die sich rein zufällig auf diese Züge verteilen. Ich nenne einen Zug fast leer, wenn null oder ein Passagier drin sitzen und fast voll, wenn vier oder fünf Passagiere im Zug sind (Es sind sehr kleine Züge).

Die ersten fünf Spalten geben an, in welchem der Züge (A oder B) die fünf Personen P1 bis P5 sitzen. Da sich die Personen rein zufällig verteilen, sind alle Zeilen gleich wahrscheinlich. Obwohl es genau gleich viele überfüllte wie fast leere Züge gibt, sitzen die Passagiere viel häufiger in überfüllten Zügen:

P1 P2 P3 P4 P5 Anzahl Personen in einem überfüllten Zug Anzahl Personen in einem fast leeren Zug Anzahl überfüllte Züge Anzahl fast leere Züge
A A A A A 5 0 1 1
B B B B B 5 0 1 1
A A A A B 4 1 1 1
A A A B A 4 1 1 1
A A B A A 4 1 1 1
A B A A A 4 1 1 1
B A A A A 4 1 1 1
B B B B A 4 1 1 1
B B B A B 4 1 1 1
B B A B B 4 1 1 1
B A B B B 4 1 1 1
A B B B B 4 1 1 1
Total: 50 10 12 12

Dazu kommen noch 10 Möglichkeiten, in denen 3 Passagiere in A sitzen und 2 in B, und weitere 10 Möglichkeiten mit 2 Passagieren in A und 3 in B; insgesamt also 20 zusätzliche Möglichkeiten, bei denen die Züge aber weder fast leer noch überfüllt sind.

Man sieht sehr rasch, dass immer, wenn der eine Zug überfüllt ist, der andere fast oder ganz leer ist. Der SBB-Sprecher wird deshalb zu recht sagen, es seien ebenso viele Züge fast oder ganz leer, wie überfüllt sind. Dennoch sind die Passagiere zusammen 50 mal in einem überfüllten Zug gefahren, aber nur 10 mal in einem fast leeren. Kein einziger fuhr in einem ganz leeren Zug (hätte mich auch überrascht).

Das bedeutet: Selbst wenn sich die Passagiere völlig zufällig auf die Züge verteilen, wenn es also keine Stosszeiten gibt, und selbst wenn es genau gleich viele fast leere wie überfüllte Züge gibt, ist die Wahrscheinlichkeit, in einem überfüllten Zug zu sitzen, viel grösser als die Wahrscheinlichkeit, einen fast leeren Zug zu erwischen.

Dies ist genau die Aussage der Beobachter-Regel. Was am häufigsten beobachtet wird, ist nicht notwendigerweise das, was auch am häufigsten vorkommt.

Natürlich beschränkt sich diese Regel nicht auf überfüllte Züge. Die folgenden Feststellungen sind dramatischer und beruhen doch auf dem gleichen Effekt:

Fast sicher haben die meisten Ihrer Freunde mehr Freunde als Sie. Und die letzte Frau (der letzte Mann), mit dem Sie geschlafen haben, wechselt ihren Partner (ihre Partnerin) fast sicher häufiger als Sie. Die Begründung ist wie bei den überfüllten Zügen: Sie haben sicher niemanden zum Freund, der keine Freunde hat – vorausgesetzt Freundschaft beruht immer auf Gegenseitigkeit. Und Sie schlafen nicht mit einer Frau, die nie mit einem Mann schläft. (Externer Link: Why Your Friends Have More Friends than You Do).

3. Feinabstimmung

In den vergangenen Jahrhunderten wandelte sich unser Bild vom Menschen. Einst Krone der Schöpfung im Zentrum der Welt, sehen wir uns heute als belangloses Grüppchen von Winzlingen am Rande einer riesigen Galaxie, die selber nur eine von vielen anderen Galaxien ist. Die Erde ist nur einer von abertausenden ähnlichen Planeten, auf denen ebensogut hätte Leben entstehen können. Dies passt bestens ins Konzept des Induktionsprinzip. Was wir beobachten, ist kein Sonderfall, ist nicht das Zentrum der Welt. Wir können damit rechnen, dass die Welt an ziemlich vielen anderen Orten ähnlich aussieht. Man nannte diese Ansicht das ‘kosmologische Prinzip’.

In jüngerer Zeit wurde aber mehr und mehr klar, dass das, was wir beobachten, extrem speziell ist. Wenn sich ein Wissenschaftler überlegt, wie ein Universum sonst noch hätte aussehen können, dann sieht er, dass unser Universum unter allen denkbaren Universen ein unglaublicher Sonderfall ist. Die allermeisten der denkbaren Universen wären weit davon entfernt, die Entstehung von komplizierteren Strukturen oder gar von Leben zuzulassen. Allein in unserem Universum gibt es wie durch ein Wunder die perfekte Feinabstimmung der Naturgesetze, die Leben erst ermöglicht. Weil aber Wissenschaftler weder den Zufall noch Wunder speziell lieben, suchen sie nach einer besseren Erklärung für das unglaubliche Zusammentreffen.

Einige Zahlen mögen das ‘Wunder’ der Feinabstimmung illustrieren. Es ist hier nicht so wichtig, die Details der Zahlen zu verstehen. Wesentlich ist, einen Eindruck zu bekommen, wie ungeheuer präzis gewisse Naturkonstanten aufeinander abgestimmt sein müssen, damit komplizierte Strukturen oder sogar höhere Lebewesen entstehen können.

Wäre zum Beispiel das Verhältnis der elektromagnetischen Wechselwirkung zur Kernkraft nur um einen Faktor zehn grösser oder kleiner, so wäre eine Verbindung der Atome zu stabilen Molekülen unmöglich. Bereits bei einer Veränderung dieses Verhältnisses um Faktor drei könnte es kein flüssiges Wasser geben. Wäre eine Sekunde nach dem Urknall die Expansionsgeschwindigkeit unseres Universums nur um ein Hunderttausendmillionstel Millionstel (also um Faktor 10-17) kleiner gewesen, so wäre das Universum wieder in sich zusammengefallen, bevor es seine gegenwärtige Grösse erreicht hätte. Eine minimale Abweichung von den tatsächlichen Naturgesetzen hätte bereits ausgereicht, um die Entstehung von Leben zu verhindern.

Hätte das Universum nur zwei Raumdimensionen, wäre es also eine Ebene statt ein dreidimensionaler Raum, so hätten sich wohl ebenfalls kaum je Lebewesen entwickelt. Man stelle sich nur zum Beispiel ein Schwein in einem zweidimensionalen Universum vor: Hätte dieses Schwein einen Mund, einen Magen und einen Hintern, so würde es glatt in zwei Teile zerfallen! (vgl. Abb. 1.) Schwer vorstellbar wäre auch der Blutkreislauf dieses Tieres.

Abbildung 1
Ein zweidimensionales Schwein würde in zwei Teile zerfallen.2D Schwein

In einem Universum mit vier oder mehr Raumdimensionen träte ein anderes Problem auf: Bei vier Raumdimensionen würden die Gravitations- und die elektromagnetischen Kräfte vermutlich nicht mehr mit dem Abstand im Quadrat (r2), sondern mit dem Abstand im Kubik (r3) abnehmen, was Planetensysteme und Atome sehr instabil machen würde. Dies sollte uns nachdenklich stimmen, denn bis heute ist nicht klar, weshalb ein Universum gerade drei Raumdimensionen (und eine Zeit) hat. Viele Physiker nehmen an, auch unser Universum habe mehr Dimensionen, wobei aber zufällig alle diese Dimensionen bis auf die drei Raumdimensionen und eine Zeit derart gekrümmt sind, dass wir sie nicht wahrnehmen. Weshalb sind nicht mehr Dimensionen gekrümmt? Oder weshalb sind nicht mehr flach?

Wenn schon unser Universum eine bemerkenswerte Sonderstellung unter den denkbaren Universen einnimmt, so ist unsere Erde über diese Sonderbarkeit hinaus auch noch innerhalb dieses Universums etwas Spezielles. Nur an wenigen Stellen des Universums ist die feine Abstimmung der Natur auf geeignete Lebensbedingungen so ausgeprägt wie auf der Erde. Auf einem Stern oder gar im luftleeren Weltraum wäre Leben ohnehin kaum denkbar. Doch auch unter den Planeten bildet die Erde einen bemerkenswerten Sonderfall. Wäre der Erdbahnradius nur ein wenig kleiner, wäre die Erde also näher bei der Sonne, so wäre das Klima vermutlich bereits zu heiss, und die Hitze der Sonne würde die Entwicklung höherer Lebensformen verunmöglichen. Kreiste die Erde mit einer wesentlich grösseren Entfernung um die Sonne, so wären die Weltmeere gefroren, was bestimmt nicht besonders lebensfreundlich wäre. Gäbe es auf der Erde nicht derart viel Wasser, derart viel von dem so teuren und seltenen Stoff, so wäre hier ebenfalls kaum Leben entstanden.

Wie kommt es, dass sich unsere Welt gleichsam seit dem Urknall darauf vorbereitet, uns heute geeignete Lebensbedingungen zu bieten? Ist ein derartiger Sonderfall in einer wissenschaftlichen Theorie noch haltbar?

Viele sehen hier vielleicht den Plan eines Schöpfers. Es leuchtet sogleich ein, dass ein Schöpfer nicht eine besonders öde und langweilige Welt schafft, sondern eine Welt, in der komplizierte chemische Verbindungen vorkommen und damit Leben und vielleicht sogar Intelligenz möglich sind. Nach dieser Vorstellung wäre der Mensch ein wesentlicher Teil des Schöpfungsplanes und in diesem Sinne gewissermassen im Mittelpunkt des Universums, wenn er auch diese Ehre vielleicht mit ausserirdischen intelligenten Lebewesen teilen muss.

Nur wenige Wissenschaftler werden dieser Vorstellung zustimmen. Ein hochintelligenter allmächtiger Schöpfer ist ungeheuer kompliziert und nach dem Ökonomieprinzip sollten wir von möglichst einfachen Grundannahmen ausgehen. Viele Physiker suchen nach einem Grund, weshalb sich das Universum ausgerechnet so entwickelte, wie wir es heute beobachten. Viele Kosmologen glauben, es müsse irgendwelche Gesetze geben, nach denen alle möglichen Universen sich ähnlich wie das unsere entwickeln müssen. Nach dieser Annahme nimmt unser Universum keine Sonderstellung ein: Es konnte nur diese Art von Universum entstehen. Nach dieser Vorstellung hatte ‘Gott’ gar keine andere Wahl, als ein Universum zu schaffen, das dem unseren ähnlich sieht. Das ist für das Ökonomieprinzip entscheidend: Je weniger Möglichkeiten Gott hatte, desto einfacher ist er. Wie die gesuchten Grundgesetze aussehen, ist freilich nicht klar.

Aber muss es überhaupt solche Grundgesetze geben? Am Beispiel der überfüllten Züge habe ich gezeigt, dass das, was wir beobachten, unter Umständen etwas sehr Seltenes ist. Dies könnte auch für unsere Position im Universum zutreffen.

Vielleicht gibt es grosse Teile im Universum, die kein Leben zulassen. Vielleicht leben wir in einer winzigen Oase in einer riesigen, absolut lebensfeindlichen Wüste. Wenn wir in den Weltraum blicken, sehen wir sogar, dass es so ist. Aber wir brauchen uns nicht zu wundern, dass wir in der Oase leben und nicht in der Wüste, selbst wenn die Wüste unendlich viel grösser ist als alle Oasen zusammen. Es ist wie bei den oben diskutierten Zügen: Wir sitzen nie in einem leeren Zug, auch wenn es noch so viele davon gibt.

Dies ist natürlich wieder die Beobachterregel. Es besteht kein Anlass, nach einem Grund für die Feinabstimmung unseres Universums zu suchen. Angenommen, es es gibt unzählige völlig unterschiedliche Regionen in unserem Universum, in denen jeweils eigene Naturgesetze gelten. Die meisten dieser Regionen wären sehr lebensfeindlich und würden keine intelligenten Beobachter hervorbringen. Vielleicht gäbe es nur ganz wenige Gebiete, in denen Lebewesen entstehen können. Aber selbst wenn es so wäre, müssten wir uns unweigerlich genau in diesen seltenen Gebieten finden, die Leben ermöglichen.

Ebenso wie es falsch ist, zu glauben, alle Züge seien immer überfüllt, ist es falsch zu denken, jeder Teil des Universums beherrberge ähnlich viele intelligente Beobachter wie der unsere. Es ist also vielleicht hoffnungslos, nach Grundgesetzen zu suchen, die dafür sorgen, dass sich jeder Teil des Universums so entwickelt, wie wir es beobachten. Denn vielleicht gibt es diese Gesetze gar nicht. Wir müssen nur zeigen, wie ein Universum mit sehr vielen verschiedenen Gebieten entstehen kann, wovon einige wenige sich ähnlich entwickeln wie unsere Umgebung.

Die Fähigkeit, bewusst beobachten zu können, spielt zwar -wie bereits erläutert- in der Beobachter-Regel eine wichtige Rolle. Dies bedeutet aber nicht, dass Bewusstsein in der Welt irgendwie von Bedeutung ist. Die Beobachter-Regel ist keinNaturgesetz, sondern eine Richtlinie für schlussfolgernde Beobachter.

4. Weiterführende Literatur

Weiterführende Artikel auf dieser Homepage:

Diracs grosse Zahlen – eine beeindruckende Feinabstimmung im Universum
Solipsismus
Das Doomsday-Argument

Weiterführende Bücher:

Bertola & U. Curi, anthropic Principle The Anthropic Principle: The Conditions for the Existence of Mankind in the Universe
Eine Sammlung anspruchsvoller Papers zu diesem Thema in Englisch.

Barrow John D., ‘Theorien für Alles – Die Suche nach der Weltformel’, Rowohlt Taschenbuch Verlag GmbH, (1994), Reinbek bei Hamburg
Allgemeine Betrachtungen, was eine ‘Weltformel’ überhaupt beihalten könnte und was eine gute Theorie von einer schlechten unterscheidet.

Breuer Reinhard, ‘Das anthropische Prinzip – Der Mensch im Fadenkreuz der Naturgesetze’

Poundstone William, ‘Im Labyrinth des Denkens – Wenn Logik nicht weiterkommt: Paradoxien, Zwickmühlen, Sackgassen, Rätsel und die Hinfälligkeit des Wissens’, (1992), Rowohlt Verlag GmbH.
Ein scharfsinniges Buch für scharfsinnige Denker, unterhaltsam geschrieben. Eine bunte Sammlung origineller Überlegungen, die der obigen gleichen. Das anthropische Prinzip wird allerdings nicht erwähnt.

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