Der Begriff der Komplementarität
Der Naturphilosoph und Physiker Klaus Michael Meyer-Abich (geb. 1936) schrieb 1964 in seiner Heimatstadt Hamburg bei Carl Friedrich von Weizsäcker eine Doktorarbeit über Bohrs Konzept der Komplementarität (1967 veröffentlicht). Hierin schlägt er die folgende präzise Fassung des zentralen Begriffs vor: »Komplementarität heißt die Zusammengehörigkeit verschiedener Möglichkeiten, dasselbe Objekt als Verschiedenes zu erfahren. Komplementäre Erkenntnisse gehören zusammen, insofern sie Erkenntnisse desselben Objekts sind; sie schließen einander jedoch insofern aus, als sie nicht zugleich und für denselben Zeitpunkt erfolgen können.«
Der Schweizer Quantenchemiker Hans Primas (geb. 1928) bot in einem Aufsatz von 1992/3 folgende Formulierung an: »Wesentlich ist, dass wir in der Naturwissenschaft notwendigerweise komplementäre Beschreibungen brauchen, die prinzipiell vollkommen gleichberechtigt sind. Jede ist richtig, keine ist wahr. Keine genügt für sich allein, alle sind notwendig. Nur die Gesamtheit aller komplementären Beschreibungen kann die ungeteilte materielle Realität repräsentieren.«
Vielfach wird darauf hingewiesen, dass der Gedanke des Komplementären einen wissenschaftlichen Ursprung in den Texten des amerikanischen Psychologen William James (1842–1910) erkennen lässt, und zwar in dessen zweibändigem Werk über die Prinzipien der Psychologie, die sich damals erst noch als eigenständige Disziplin der Forschung erweisen musste. Bei James geht es um verschiedene – komplementäre – Formen des Bewusstseins. Bei ihm heißt es: »Bei bestimmten Personen kann das gesamte mögliche Bewusstsein in mehrere Teile aufgespalten sein, die nebeneinander existieren, sich jedoch gegenseitig ignorieren und ihre Erkenntnisgegenstände untereinander teilen. Das Auffälligste ist jedoch ihre Komplementarität.«
Mit anderen Worten: Die Gesamtsumme von komplementären Regungen eines humanen Bewusstseins ergibt die von dem betreffenden Menschen wahrgenommene Welt.
Der Vorschlag der Komplementarität passt sich der Situation eines menschlichen Beobachters an, der etwa bei einem Elektron oder Photon entscheiden muss, ob er dessen Wellenlänge oder dessen Ort bestimmen will. Die beiden dazu notwendigen experimentellen Bedingungen schließen sich gegenseitig aus, sie können also nicht gleichzeitig und an einem Objekt durchgeführt werden, sie gehören aber zusammen, da sie einen und nur einen Gegenstand anvisieren. Mit anderen Worten, die physikalische Realität muss durch komplementäre Bilder beschrieben werden, von denen jedes seinen eigenen Geltungsbereich hat und die beide zusammen das ganze Phänomen zugänglich machen.
Als Bohr vom Skilaufen zurück war und seine erregten Debatten über die Deutung der Quantentheorie mit Heisenberg abgeschlossen hatte, erhielt er die Einladung, zum Gedenken an den italienischen Physiker Alessandro Volta anlässlich dessen hundertsten Todestags im September 1927 einen Festvortrag in Como zu halten. Bohr war fest entschlossen, bei dieser Gelegenheit seine neue Philosophie vorzustellen, und entsprechend mühte er sich den ganzen Sommer über mit dem Manuskript ab, das dann 1928 unter dem Titel »Das Quantenpostulat und die neuere Entwicklung der Atomistik« publiziert wurde.
Leider war die Druckfassung der Rede in Como genauso umständlich formuliert und nicht unbedingt förderlich für das Verständnis wie viele andere Reden Bohrs. An einer Stelle entschuldigte er sich sogar für seine sich windenden Sätze. Alles, was er sagen wolle, müsse man nicht affirmativ, sondern als Frage verstehen, die es erst noch zu bedenken gelte, wie er seinen Zuhörern mitteilte, ohne dass ihnen die Aufgabe dadurch leichter gemacht worden wäre. So missglückte ihm bereits der erste Satz, mit dem er seinen neuen Begriff der Komplementarität vorstellen wollte. Das entscheidende Wort tauchte unvermittelt auf, und Bohr ließ nur schwerlich erkennen, welche Bedeutung es für ihn hatte. Der Begriff »Komplementarität« wurde weder definiert noch als wichtig hervorgehoben, sondern einfach benutzt: »Nach dem Wesen der Quantentheorie müssen wir uns also damit begnügen, die Raum-Zeit-Darstellung und die Forderung der Kausalität, deren Vereinigung für die klassischen Theorien kennzeichnend ist, als komplementäre, aber einander ausschließende Züge der Beschreibung des Inhalts der Erfahrung aufzufassen, die die Idealisation der Beobachtungs- bzw. Definitionsmöglichkeiten symbolisieren.«
Kein Wunder, dass die Zuhörer überfordert waren und nicht merken konnten, dass hier etwas Grundlegendes über die Erkennbarkeit von Wirklichkeit gesagt wurde. Versucht man das, was Bohr ausdrücken wollte, in einfachere Worte zu fassen, ergibt sich in etwa folgende Aussage: Was in einem Experiment geschieht, wird von menschlichen Beobachtern hergestellt und registriert. Also muss es davon eine Beschreibung geben, die Raum und Zeit benutzt und in ihnen spielt. In einem jeden Experiment zeigt sich auch die gewohnte Bedingung der Kausalität. Wie sollten wir sonst aus dem Ergebnis einer Messung auf den Zustand des untersuchten Objekts schließen? Im Rahmen der klassischen Physik sind beide Bedingungen miteinander vereinbar; in der Quantentheorie hingegen finden die Vorgabe der Kausalität und die Beschreibung der Abläufe in Raum und Zeit nur als komplementäre Partner zueinander. Dies zeigen – Bohr zufolge – die Erfahrungen, die mit den Experimenten an atomaren Bausteinen unternommen worden sind.
»Kausalität und Komplementarität« – um diese beiden Konzepte kreisten Bohrs Gedanken. Er wollte durch sie auch darauf hinweisen, dass die Existenz des Quantums die Physiker zwingt, Abschied von der Vorstellung zu nehmen, für die Vorgänge im Atom oder für das Verhalten von Gebilden atomarer Größenordnung lasse sich »eine Kausalbeschreibung im klassischen Sinn« angeben. Wer etwa ein Lichtteilchen (Photon) oder ein Materieteilchen (Elektron) in einem Experiment beobachten will, muss in irgendeiner Form mit ihm eine Wechselwirkung eingehen. Dabei muss zwischen dem Instrument und dem Objekt mindestens ein Quantum übertragen oder ausgetauscht werden. Während die dadurch ausgelöste Wirkung bei Gegenständen aus dem Alltag vernachlässigt werden kann, passiert auf der Bühne des atomaren Geschehens etwas anderes. Mit dem Quantum verändert sich der Zustand des anvisierten Objekts, wobei der untersuchte Gegenstand im Moment der Messung – durch das dazugehörige Quantum – überhaupt erst in den Zustand gebracht wird, in dem er angetroffen wird. Es ist plötzlich das Subjekt, das offenkundig zusammen mit den Naturgesetzen bestimmt, wie sich das Objekt zeigt.
Damit gerät das Konzept der objektiven Kausalität aus den Fugen, und Bohr versuchte, es durch seinen Gedanken der Komplementarität abzulösen, mit dem der klassischen Vorstellung Grenzen gesetzt werden und die Annahme wegfällt, der zufolge Phänomene unabhängig von den Beobachtungsmitteln existieren und ihre Eigenschaften bekommen.
In einem Atom geht es eben anders zu als in einer Welt, die von Atomen gebildet wird. Atome müssen qualitativ vollkommen verschieden von den Dingen sein, die aus ihnen bestehen. So lässt sich etwa die Temperatur eines Atoms nicht bestimmen; und es ist ausgeschlossen, in einem Atom ein elektrisches Feld zu messen. Man kann erst recht nicht sagen, was Zeit in ihm sein soll, da – in der Vorstellung und mit der Vorgabe von Einstein – Zeit das ist, was eine Uhr anzeigt. Nun gibt es zwar verschiedene Uhren, sie alle bestehen aber aus Atomen, was es offensichtlich und prinzipiell unmöglich macht, mit ihnen in einem solchen Gebilde etwas zu unternehmen.
Natürlich wollte Bohr das »Kausalitätsideal« nicht aufgeben, wie ihm von Philosophen entgegengehalten wurde, die den Verdacht äußerten, er vertrete »einen dem Geist der Wissenschaft zuwiderlaufenden Mystizismus«. Bohr wollte vielmehr besagtes Ideal durch den »allgemeineren Gesichtspunkt« ersetzen, den er Komplementarität nannte. Seinen überzeugendsten Versuch dazu unternahm er in einem Vortrag, der 1936 gehalten und 1937 publiziert wurde. Bohr sprach auf einem in Kopenhagen stattfindenden »Kongress für die Einheit der Wissenschaft« eben über »Kausalität und Komplementarität«, und die zentralen Passagen sollen hier ausführlich zitiert werden. Bohr begann seine Rede mit dem Versuch, »einen möglichst klaren Eindruck von der in der Atomphysik vorliegenden neuen erkenntnistheoretischen Situation zu geben«:
Um dies zu tun, wollen wir hier zunächst solche Messvorgänge etwas näher betrachten, die eine Kontrolle des raumzeitlichen Verhaltens irgendeines physikalischen Ereignisses zum Ziel haben. Letzten Endes besteht ja eine solche Kontrolle immer in der Herstellung einer Anzahl eindeutiger Verbindungen zwischen dem Verhalten des Objektes und den Maßstäben und Uhren, die das für die Raumzeitkoordination benutzte Bezugssystem definieren. Nur solange wir bei der Beschreibung aller für das Ereignis maßgeblichen Umstände die mit der Herstellung jeder solchen Verbindung unvermeidlich verknüpfte Wechselwirkung zwischen dem Objekt und diesen Messinstrumenten völlig außer Acht lassen können, sind wir also in der Lage, von einem selbstständigen, von den Beobachtungsbedingungen unabhängigen raumzeitlichen Verhalten des Versuchsobjektes zu sprechen. Falls aber diese Wechselwirkung – wie im Gebiet der Quantenerscheinungen – für das Zustandekommen der Phänomene selbst eine wesentliche Rolle spielt, ändert sich die Situation völlig, und wir müssen insbesondere auf die für die klassische physikalische Beschreibung charakteristische Verbindung zwischen der Raumzeitkoordination der Ereignisse und den allgemeinen dynamischen Erhaltungssätzen verzichten. Denn die Benutzung der Maßstäbe und Uhren zur Festlegung des Bezugssystems schließt ja definitionsgemäß aus, dass irgendwelchen im Verlauf der Phänomene an diese Messinstrumente übertragenen Impuls- und Energiemengen Rechnung getragen werden kann. Umgekehrt können solche Quantengesetze, deren Formulierung wesentlich auf einer Anwendung des Impuls-oder Energiebegriffs beruht, nur unter Versuchsumständen zum Vorschein kommen, unter welchen eine strenge Kontrolle des raumzeitlichen Verhaltens des Objektes ausgeschlossen ist.
In der seit 1926/27 neuen Quantenmechanik sei nun eine dieser Situation angepasste Beschreibungsart gefunden worden, wie Bohr weiter ausführte, da in ihr »eine zur widersprüchlichen Einordnung der neuen Gesetzmäßigkeiten genügende Freiheit dadurch gewonnen wird, dass die gewöhnlichen kinematischen und dynamischen Begriffe durch Symbole ersetzt werden, die neuartigen Rechenregeln gehorchen«.
Nachdem er gezeigt hatte, »dass die Undurchführbarkeit einer kausalen Darstellung der Quantenerscheinungen direkt mit den Voraussetzungen der Anwendung der für die Beschreibung von Erfahrungen in Betracht kommenden elementarsten Begriffe verknüpft ist«, fuhr Bohr nach einem kleinen Exkurs in die Relativitätstheorie Einsteins fort:
Es ist in diesem Zusammenhang von verschiedenen Seiten die Vermutung ausgesprochen worden, dass eine durchgreifende Umgestaltung der bisherigen, der alltäglichen Erfahrung angepassten Begriffsbildungen es ermöglichen würde, auch auf dem Gebiete der Atomphysik das Kausalitätsideal zu bewahren. Eine solche Ansicht dürfte aber auf eine Verkennung der Sachlage beruhen. Schon die Forderung der Mitteilbarkeit der Versuchsumstände und der Messergebnisse bedeutet ja, dass wir nun im Rahmen der gewöhnlichen Begriffe von wohl definierten Erfahrungen sprechen können. Insbesondere dürfen wir nicht vergessen, dass der Kausalbegriff schon der Deutung jedes einzelnen Messergebnisses zugrunde liegt. Auch bei einer Zusammenfassung von Erfahrungen kann es sich der Natur der Sache nach niemals um wohldefinierte Brüche in einer Kausalkette handeln; der uns aufgezwungene Verzicht auf das Kausalitätsideal in der Atomphysik ist begrifflich ja auch allein darin begründet, dass wir infolge der unvermeidbaren Wechselwirkung zwischen den Versuchsobjekten und den Messinstrumenten – der prinzipiell nicht Rechnung getragen werden kann, wenn diese Instrumente zweckmäßig die eindeutige Anwendung der zur Beschreibung der Erfahrungen nötigen Begriffe erlauben sollen – nicht länger imstande sind, von einem selbständigen Verhalten der physikalischen Objekte zu reden. Letzten Endes dient ja ein künstliches Wort wie »Komplementarität«, das nicht zu den alltäglichen Begriffen gehört und dem daher kein anschaulicher Inhalt mithilfe der gewöhnlichen Vorstellungen gegeben werden kann, nur dazu, an die vorliegende jedenfalls in der Physik gänzlich neue erkenntnistheoretische Situation zu erinnern.
Im Verlauf des Vortrags betonte Bohr zum einen, dass er mit der Komplementarität und dem dazugehörigen Aufgeben einer Kausalbeschreibung keinesfalls leichtfertig behaupte, es sei unmöglich, »die Fülle der Erscheinungen« zu erfassen. Vielmehr würden seine Überlegungen das »ernsthafte Bemühen« darstellen, den uns in der Physik entgegentretenden neuartigen Gesetzen »im Sinne der allgemeinen Belehrung der Philosophie« gerecht zu werden. Deshalb scheine es ihm selbstverständlich, »dass wir auch auf anderen Gebieten der menschlichen Erkenntnis scheinbaren Widersprüchen begegnen, die nur unter dem Gesichtspunkt der Komplementarität vermeidbar sein dürften«.
Bohr dachte vor allem, dass sich seine Position und sein Vorschlag »auch bei der Diskussion von psychologischen Fragen behilflich erweisen« könnten:
In der Tat weist ja schon der Gebrauch von Wörtern wie »Gedanke« und »Gefühl« oder »Instinkt« und »Vernunft« zur Beschreibung verschiedenartiger psychischer Erlebnisse auf das Vorhandensein von charakteristischen, durch die Besonderheit der Selbstbeobachtung bedingten Komplementaritätsverhältnissen hin. Vor allem dürfte eben in der prinzipiellen Unmöglichkeit, bei der Selbstbeobachtung zwischen Subjekt und Objekt im Sinne des Kausalitätsideals scharf zu unterscheiden, das Willensgefühl seinen natürlichen Spielraum finden.