Philosophie der Naturwissenschaften

Wissenschaftliches Weltbild und philosophische Probleme der Naturwissenschaft

Philosophische Probleme des physikalischen Weltbildes

Die Bedeutung des physikalischen Weltbildes in der Entwicklung der Wissenschaft wird durch seine weltanschaulichen, heuristischen und kommunikativen Funktionen bestimmt. Das physikalische Weltbild liefert die Grundlage für die Konstruktion naturwissenschaftlicher Theorien, gewährleistet die Systematisierung der gesamten Naturwissenschaft, legt Forschungsprogramme auf empirischer und theoretischer Ebene fest und definiert Kriterien der Wissenschaftlichkeit für aufgestellte Probleme und Hypothesen.

Das grundlegende Prinzip der Einheit der Welt entfaltet sich unterschiedlich im Verlauf der Entwicklung physikalischen Denkens. Im mechanischen Weltbild wird das Prinzip der Welteinheit auf der Grundlage der naturphilosophischen Konzeption des Atomismus, der substantiellen Konzepte von Raum und Zeit nach Newton (durch die Begriffe des absoluten Raums und der absoluten Zeit) sowie der Vorstellung von der unabhängigen Existenz materieller (korpuskularer) Körper, von Raum, Zeit und Kräften entwickelt. Bewegung wird als Verschiebung von Körpern in einem homogenen, isotropen Raum mit Zeitfluss verstanden. Wechselwirkungen zwischen Körpern erfolgen durch Anwendung von Kräften, die sich zu einer resultierenden Kraft summieren (Prinzip der Superposition). Die Wirkung einer Kraft wird sofort übertragen und hängt weder von einem Medium noch von dessen Abwesenheit ab (Prinzip der Fernwirkung).

Im System der klassischen Mechanik werden ontologische Vorstellungen durch die Abstraktion des materiellen Punktes, eines Systems materieller Punkte, der Kraft, des Inertialsystems, des materiellen Körpers und seiner Eigenschaften konkretisiert. Neue ontologische Vorstellungen entwickeln sich auf der Grundlage der Elektromagnetismus-Theorie. M. Faraday führte elektrische und magnetische Feldlinien als Schema zur Beschreibung elektromagnetischer Wechselwirkungen ein und entwickelte die Idee der Einheit von Materie und Kraft: Kräfte können nicht unabhängig von Materie existieren, daher müssen die Feldlinien als besondere Substanz betrachtet werden (Idee des elektromagnetischen Feldes, dargestellt durch Kraftlinien). Auf dieser Grundlage entwickelte sich die Äthertheorie (als lichttragende, kontinuierliche mechanische Substanz), wobei die Begriffe Äther und Feld identifiziert und ein alternatives Interaktionsprinzip – die Nahwirkung – eingeführt wurden.

In dem sich in den 1920er Jahren herausbildenden elektrodynamischen Weltbild wird das ontologische Prinzip der Einheit der Welt durch die Wechselbeziehung von Raum, Zeit und Materie verdeutlicht. Vorstellungen von physikalischer Realität werden durch die Begriffe des vierdimensionalen Kontinuums, der Weltlinie und des Weltintervalls (neuer Weltinvarianz) konkretisiert. Die theoretische Grundlage des elektrodynamischen Weltbildes bilden die Elektrodynamik von J. C. Maxwell, die elektromagnetische Atomtheorie von E. Rutherford (1911), die spezielle Relativitätstheorie von A. Einstein (1905) und die Theorie des photoelektrischen Effekts.

Der ontologische Status von Objekten im neuen Weltbild wird durch die Begriffe Feld, Teilchen (materieller Punkt, materieller Körper) definiert. Anders als diskrete Materie besitzt das Feld als Materieform keine Ruhemasse und zeichnet sich durch Kontinuität aus. Das Spektrum der Wellenlängen elektromagnetischer Felder umfasst nahezu alle beobachtbaren Strahlungen, weshalb seine Eigenschaften als fundamentale Parameter der Materie angesehen werden.

Im elektrodynamischen Weltbild haben folgende Prinzipien universelle Gültigkeit bei der Beschreibung weltlicher Ereignisse: relativistische Bewegungsgesetze, Gesetze der relativistischen Dynamik und das Äquivalenzgesetz von Masse und Energie. Das universelle Prinzip der Wechselwirkung ist die Nahwirkung: Jede Interaktion wird durch das Feld übertragen (Feldschwingungen, Wellen, Fluktuationen). Die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Wirkung ist begrenzt und entspricht der Lichtgeschwindigkeit.

Neben den elektromagnetischen Wechselwirkungen wird die fundamentale Bedeutung der Gravitation anerkannt. Die konzeptionelle Grundlage zur Beschreibung der Einheit der Wechselwirkungen bildet die Allgemeine Relativitätstheorie von A. Einstein, in der gravitative Wechselwirkungen auf ein Feldprinzip zurückgeführt werden. Dies war jedoch nicht der erste Versuch, eine einheitliche Feldtheorie zu schaffen. Zwischen 1918 und 1921 entwickelten Weyl, Kaluza und Eddington Theorien eines einheitlichen Feldes auf der Basis von vier- und fünfdimensionalen Geometrien, um eine adäquate mathematische Form zur gemeinsamen Beschreibung elektromagnetischer und gravitativer Felder zu finden. Einstein setzte dieses mathematische Programm fort und entwickelte die Idee der Geometrisierung physikalischer Wechselwirkungen weiter. Die Geometrisierung der Gravitation wurde zu einem der Prinzipien der Allgemeinen Relativitätstheorie. Nach Einstein ist die Bewegung im Gravitationsfeld nicht das Ergebnis der Wirkung gravitativer Kräfte, sondern stellt eine Trägheitsbewegung im gekrümmten nicht-euklidischen Raum dar. Die Raumkrümmung begrenzt die Eigenbewegung der Körper, die in der klassischen Physik als Gravitation verstanden wird.

Die Probleme der elektrodynamischen Weltbildes hingen eng mit der Erklärung des Aufbaus des Atoms zusammen. Es stellte sich heraus, dass elektromagnetische Kräfte nicht ausreichen, um die Bestandteile des Atomkerns zusammenzuhalten. Die Erforschung des Materieaufbaus führte zur Untersuchung elementarer Teilchen, wodurch die Mikrowelt und ein neuer Zweig der theoretischen Physik entdeckt wurden. Die klassische Physik, einschließlich der elektromagnetischen Theorie, erwies sich als unzureichend für die Erklärung der Phänomene der Mikrowelt. Die Untersuchung des Verhaltens elementarer Teilchen führte zu Konzepten der Dualität und fundamentalen Unbestimmtheit ihrer Natur. Mitte des 20. Jahrhunderts etablierte sich die Quantenmechanik als grundlegende universelle Theorie zur Erklärung der Gesetzmäßigkeiten fundamentaler physikalischer Prozesse.

In der quantenmechanischen Weltbild erscheint die physikalische Realität in deutlich getrennten Ebenen von Makro- und Mikrowelt. Die Mikroebene der Materie ist durch gegenseitige Umwandlung elementarer Teilchen und Strahlungen gekennzeichnet. Die Beschreibung der physikalischen Realität der Mikrowelt basiert auf dem Welle-Teilchen-Dualismus der Mikroteilchen und dem Unschärfeprinzip (W. Heisenberg), wonach jede Messung den objektiven Ablauf der Ereignisse beeinflusst, sodass unterschiedliche Aspekte des Teilchens beobachtet werden können.

Die Quantenmechanik liefert eine theoretische Beschreibung jedes Mikroobjektes als statistisches Ensemble, wobei die Wellengleichung nur die Wahrscheinlichkeit eines bestimmten Ortes der Teilchen zu einem Zeitpunkt angibt. Vorrang in der physikalischen Erklärung hat das Prinzip der statistischen Gesetzmäßigkeit, ausgedrückt in der Sprache der Wahrscheinlichkeitstheorie. Unbestimmtheit wird zur fundamentalen Kategorie der Physik der Mikrowelt, erlangt ontologischen Status und kennzeichnet die physikalische Realität. Philosophisch stellt sich die Frage, ob die Entwicklung des Zustandsvektors als adäquate Beschreibung der physikalischen Realität gelten kann.

Die moderne physikalische Weltbild basiert auf Vorstellungen über fundamentale Wechselwirkungen und das Quantenfeld, das gleichzeitig kontinuierlich (ohne genaue räumliche Lokalisation) und diskret (durch quantisierte Energielevel gekennzeichnet) ist. Dem Feld wird ontologischer Status als physikalisches System mit unendlichen Freiheitsgraden zugesprochen. Solche Systeme können sich als physikalisches Vakuum, elektromagnetisches Feld, elementare Teilchen und Antiteilchen manifestieren. Die Natur ihrer Wechselwirkungen und Transformationen erklärt die Quantenfeldtheorie.

Die zentrale Eigenschaft eines elementaren Teilchens ist seine Energie, die proportional zur Wellenlänge ist: E = hν. Ein elementares Teilchen ist ein Quant des Feldes – eine Einheit von Welle. Die ontologische Problematik des Quantenfeld-Weltbildes ist der neue Realitätsgrad – das physikalische Vakuum, das den niedrigsten Energiezustand des quantisierten Feldes darstellt. Es wird angenommen, dass das Quantenfeld des physikalischen Vakuums Wellenüberlagerungen von Elektronen und Positronen mit null Masse, Ladung und Spin enthält.

Der ontologische Grundsatz der strukturellen Einheit der Welt im Quantenfeld-Weltbild zeigt sich in der Vorstellung von der Lepton-Quark-Struktur der Materie (Standardmodell der Elementarteilchen). Quarks sind strukturlose Elemente, die auf der Ebene der starken Kernkräfte lokalisiert sind; im freien Zustand wurden Quarks nicht beobachtet. Zwölf fundamentale Mikroteilchen – sechs Quarks (u, d, c, s, t, b) und sechs Antiquarks – erklären nahezu die gesamte Vielfalt elementarer Teilchen, ausgenommen leichte Teilchen, die Leptonen sind. Diese erscheinen als strukturlose Elemente auf der Ebene schwacher Wechselwirkungen. Leptonen und Antileptonen (Elektronen, Neutrinos und deren Antiteilchen) lassen sich nicht aus Quarks ableiten und existieren parallel dazu.

In den früheren theoretischen Weltmodellen (mechanisch und elektrodynamisch) wurde Materie auf Substanz mit unveränderlicher Struktur und Masse oder auf die Ausbreitung elektromagnetischer Felder reduziert. Die Entstehung und Evolution der Materie wurden nicht betrachtet. Im Quantenfeld-Weltbild wird die Idee der universellen Wechselbeziehungen der Phänomene durch die energetische Kopplung eines Elementarteilchens mit den umgebenden Quantenfeldern konkretisiert. In der Vorstellung von Quantenfeld-Fluktuationen, gegenseitigen Umwandlungen von Urteilchen und Strahlungen, zeigt sich die Idee der Evolution der materiellen Einheit der Welt. Es wird die Wechselbeziehung verschiedener Ebenen physikalischer Phänomene betont: die Mikrowelt der Elementarteilchen, Quantenfelder und Strahlungen, die Makrowelt der visuell beobachtbaren physikalischen Phänomene sowie die Megawelt, bestimmt durch kosmische Maßstäbe.

Die Probleme des Quantenfeld-Weltbildes betreffen den Aufbau einer einheitlichen Theorie der physikalischen Wechselwirkungen. Gegenwärtig wurde die einheitliche Theorie der elektroschwachen Wechselwirkungen entwickelt und bestätigt (S. Weinberg, A. Salam, S. Glashow). Glashow und H. Georgi (1974) versuchten, elektromagnetische, schwache und starke Wechselwirkungen zu vereinen (Große Vereinheitlichung). Die Schwierigkeit beim Aufbau einer einheitlichen Theorie liegt in der Zusammenführung dreier fundamentaler Konzepte der modernen Physik: der Eichprinzip-Natur der Wechselwirkungen, basierend auf fundamentalen Symmetrien, der Lepton-Quark-Struktur der Materie und dem Prinzip der spontanen Symmetriebrechung des physikalischen Vakuums.

Das Konzept der spontanen Symmetriebrechung des physikalischen Vakuums beruht auf der Idee der Instabilität des Vakuums, die neue Gebilde in Form von Feldern und Elementarteilchen hervorbringt. Higgs stellte die Hypothese der spontanen Symmetriebrechung des Vakuums und der Existenz eines daraus resultierenden Vakuumkondensats auf. Die kollektive Anregung des Higgs-Kondensats erzeugt besondere Quanten (Higgs-Bosonen), deren experimenteller Nachweis eine der Aufgaben der Teilchenphysik darstellt.

Die Probleme des Standardmodells der Elementarteilchen betreffen die Untersuchung des Quark-Gluon-Kondensats, das Confinement (die "Einfangung") von Quarks, die Natur der Generationen bekannter Teilchen sowie die Ursache für die starke Masseunterschiede der Elementarteilchen und den besonderen Status des Neutrinos. Die Einbeziehung komplexer Vakuumstrukturen in die Theorie wirft Fragen nach deren ontologischem Status auf.

Auf der Ebene der Mikrowelt wird die fundamentale Struktur der Materie derzeit durch drei Komponenten beschrieben: Fermionen – Materieteilchen mit Spin ½ (reduzierbar auf strukturlose Quarks und Leptonen); Vektor-Bosonen – Teilchen mit ganzzahligem Spin (Feldquanten); skalare Higgs-Bosonen – Teilchen mit Spin 0 (assoziiert mit dem physikalischen Vakuum, betrachtet als kollektive Anregung skalaren Bosonen). Es werden Kopplungskonstanten für starke, schwache, elektromagnetische und gravitative Wechselwirkungen definiert. Es wird angenommen, dass das festgestellte Verhältnis dieser Konstanten die gegenwärtige Epoche der Entwicklung des Universums charakterisiert, wobei es möglicherweise Epochen gab, in denen dieses Verhältnis anders war.

Das in der modernen Physik entwickelte Konzept der Eichprinzip-Natur der Wechselwirkungen basiert auf dem Prinzip der lokalen Invarianz, das von Einstein in der Allgemeinen Relativitätstheorie hervorgehoben wurde. Nach der ART wird die Invarianz physikalischer Gesetze nur in Bezug auf lokale Maßstabsänderungen (Eichtransformationen) erreicht. Der ursprüngliche Begriff der „Kalibrierung“ bezeichnete die Änderung des Maßstabs. In Einsteins Theorie existiert Homogenität des Raumes nur lokal. Global muss die Möglichkeit bestehen, den Maßstab beim Übergang von einem Punkt zum anderen zu ändern, was eine Krümmung der Bewegungstrajektorie bedeutet. Die Rolle des Gravitationsfeldes besteht darin, Effekte auszugleichen, die mit Maßstabsänderungen zusammenhängen.

Das Eichprinzip wird als neuer Zugang zur Natur physikalischer Wechselwirkungen betrachtet, der es erlaubt, die Form der Wechselwirkung nicht zu postulieren, sondern sie aus der Anforderung der Invarianz gegenüber Gruppen bestimmter lokaler Transformationen abzuleiten – als Mechanismen, wie in der Natur lokale Eichtransformationen kompensiert werden müssen. Grundlage dieses Ansatzes ist die fundamentale Rolle der Symmetrie. Allgemein bedeutet Symmetrie Unveränderlichkeit unter bestimmten Transformationen. Das Symmetrieprinzip hebt die Verhaltensbesonderheiten von Systemen bei Transformationen hervor. Invarianzprinzip bedeutet die Auswahl von Transformationen, die bestimmte Funktionen der betrachteten Systeme unverändert lassen.

Das Wort Symmetrie (symmetria) stammt aus dem Griechischen und bedeutet „Maßhaltigkeit“. Die wissenschaftliche Definition von Symmetrie stammt vom deutschen Mathematiker Hermann Weyl (1885–1955): Symmetrie bedeutet die Unveränderlichkeit (Invarianz) eines Objektes unter Transformationen bestimmter Art. Man kann sagen, dass Symmetrie die Gesamtheit der invarianten Eigenschaften eines Objektes darstellt. Beispielsweise kann ein Kristall bei bestimmten Drehungen, Spiegelungen oder Verschiebungen mit sich selbst überlagert werden. Auch Funktionen, Gleichungen oder Operatoren können bei bestimmten Koordinatentransformationen invariant sein. Dies erlaubt die Anwendung des Symmetriebegriffs auf die Gesetze der Physik.

Beispielsweise besagt das Gesetz der universellen Gravitation, dass die Kraft der gegenseitigen Anziehung zwischen zwei Körpern proportional zum Produkt ihrer Massen und umgekehrt proportional zum Quadrat ihres Abstands ist. Folglich hängt die Anziehungskraft nicht von der Position dieses Paars im Raum ab, sondern nur vom Abstand zwischen den Körpern. Dies bedeutet, dass dieses Gesetz gegenüber Verschiebungen oder Rotationen des gesamten Paares invariant ist (oder mathematisch gesehen gegenüber Verschiebungen oder Rotationen des Koordinatensystems), was durch die Homogenität und Isotropie des Raumes gewährleistet wird. Diese translatorische Symmetrie ist eine Form der räumlichen Symmetrie. Weniger offensichtlich ist die Invarianz physikalischer Gesetze beim Übergang von einem Bezugssystem zu einem anderen, das sich relativ zum ersten gleichförmig und geradlinig bewegt. Experimente zeigen jedoch, dass es unmöglich ist festzustellen, welches dieser Bezugssysteme ruht und welches sich bewegt. Dieser Umstand bildete die Grundlage der speziellen Relativitätstheorie, nach der physikalische Gesetze gegenüber Lorentz-Transformationen invariant sein müssen. Letztere umfassen spezielle Transformationen nicht nur der Koordinaten, sondern auch der Zeit. Diese Art der Symmetrie physikalischer Gesetze kann ebenfalls der raum-zeitlichen, geometrischen Symmetrie zugeordnet werden (unter Bezug auf die vierdimensionale Minkowski-Geometrie). Später wurden nicht-geometrische (dynamische) Symmetrien entdeckt: Permutationssymmetrie, Eichsymmetrie und unitäre Symmetrie.

Die nicht-geometrische Permutationssymmetrie ist mit der Invarianz der Schrödingergleichung gegenüber der Vertauschung identischer Teilchen verbunden. Der Schweizer Theoretische Physiker Wolfgang Pauli (1900–1958) stellte eine Verbindung zwischen Permutationssymmetrie und dem Spin von Teilchen her (Teilchen mit ganzzahligem Spin sind Bosonen, solche mit halbzahligem Spin Fermionen) und zeigte, dass Fermionen dem Ausschlussprinzip unterliegen müssen: Zwei Fermionen können nicht denselben Zustand einnehmen. Das Pauli-Prinzip ist der Schlüssel zur Erklärung des Periodensystems von Mendelejew. Würde das Pauli-Prinzip nicht gelten, würden alle Elektronen eines Atoms in den energetisch niedrigsten 1s-Zustand übergehen, was die Vielfalt der chemischen Eigenschaften der Atome, wie sie in der Natur beobachtet wird, zerstören würde.

Eichsymmetrie ist der Oberbegriff für eine Klasse interner Symmetrien der Gleichungen der Feldtheorie (d. h. Symmetrien, die mit den Eigenschaften von Elementarteilchen und nicht mit Raum-Zeit-Eigenschaften verbunden sind). In der Physik entsprechen den vier fundamentalen Wechselwirkungen (stark, elektromagnetisch, schwach, gravitationell) vier Klassen von Elementarteilchen. Hadronen sind an allen Wechselwirkungsarten beteiligt (sie werden in Baryonen und Mesonen unterteilt). Leptonen sind nur an der starken Wechselwirkung nicht beteiligt (unter ihnen nehmen Neutrinos auch nicht an der elektromagnetischen Wechselwirkung teil). Das Photon ist nur an der elektromagnetischen Wechselwirkung beteiligt. Der hypothetische Graviton ist der Träger der gravitativen Wechselwirkungen. Jede Teilchengruppe ist durch eigene Erhaltungsgesetze charakterisiert. So ist beispielsweise die Erhaltung von Baryonenzahl und elektrischer Ladung sowie die Erhaltung der Leptonenzahlen von Elektron und Myon mit hoher Genauigkeit nachgewiesen. Jedes Erhaltungsgesetz ist ein Ausdruck einer bestimmten internen Symmetrie der Feldgleichungen (Bewegungsgleichungen).

Alle bekannten physikalischen Wechselwirkungen (vier Arten) besitzen eine eichsymmetrische Natur. Jeder Wechselwirkung entspricht eine Gruppe von Symmetrien und Erhaltungsgesetzen, die diese Symmetrien manifestieren. Der Zusammenhang zwischen Symmetrie und Invarianz in Transformationen wird durch den Satz von Noether beschrieben. Der invariante Ansatz in der Physik ist eng mit dem Prinzip des kleinsten Wirkungsprinzips verbunden. Die Lagrange-Euler-Gleichungen ermöglichen es, neue Felder zu beschreiben, indem alle erforderlichen Wechselwirkungsterme hinzugefügt werden.

Symmetrieprinzipien helfen bei der Klassifizierung von Quantenzuständen, der Festlegung von Erhaltungsgesetzen und Ausschlussprinzipien und besitzen zudem heuristischen Wert. Als Mittel zur Erreichung der Großen Vereinheitlichung der drei fundamentalen Wechselwirkungen (stark, schwach, elektromagnetisch) wird die Idee der Supersymmetrie vorgeschlagen, die zusätzliche Symmetrien als Möglichkeit zur Paarbildung von Fermionen und Bosonen annimmt. Übliche Symmetriegruppen „rotieren“ Mengen von Bosonen untereinander und Fermionen untereinander, d. h. Bosonen werden nicht in Fermionen und umgekehrt transformiert. Die größte Schwierigkeit dieser Theorie besteht darin, jedem Elementarteilchen ein Superpartner-Teilchen (mit Spin, um ½ ħ vom Spin des ursprünglichen Teilchens abweichend) zuzuordnen. So müsste es ein Superelektron mit Spin 0, einen Superquark usw. geben. Bislang wurde kein Superpartner entdeckt. Dies wird damit erklärt, dass aufgrund eines Mechanismus der „Supersymmetriebrechung“ (dessen Natur unbekannt ist) die hypothetischen Superpartner eine wesentlich höhere Masse besitzen müssen als die entsprechenden Teilchen.

Die Unterscheidung zwischen äußeren (geometrischen) und inneren Symmetrien stellt ebenfalls ein ernstes Problem in der Physik dar. Diskutiert wird die Möglichkeit, alle inneren Symmetrien auf geometrische Raum-Zeit-Symmetrien zurückzuführen. Felder (und Teilchen) werden als bestimmte geometrische Objekte betrachtet, die adäquat durch die mathematische Theorie der Faserbündel beschrieben werden. Die Schichten werden durch innere Symmetrien definiert, die mit dem gewöhnlichen Basisraum-Zeit-Raum verbunden sind. Die Anzahl und Art der Elementarteilchen und letztlich die gesamte Vielfalt der diskreten materiellen Makroumgebung, die wir beobachten, wird durch die Zustände des Quantenfeldes bestimmt, das geometrisch als Faserbündelraum interpretiert wird.

Eichfelder (z. B. das elektromagnetische Feld, das Quantenfeld – Photon) werden durch die Zusammenhangseigenschaften der Faserbündel beschrieben. Felder, die für Fermionen-Teilchen (z. B. Elektronen) charakteristisch sind, werden durch Schnitte des Faserbündels beschrieben.

Bestimmte Perspektiven für eine einheitliche Wechselwirkungstheorie sind mit der Stringtheorie verbunden, die auf der mathematischen Idee von Kaluza–Klein über innere Dimensionen beruht, die den Basisraum-Zeit-Raum auf 26 bzw. 10 Dimensionen erweitern. Ein anschauliches Beispiel ist ein Schlauch, der in der gewöhnlichen Welt eindimensional erscheint, aber innere Dimensionen besitzt. Die Stringtheorie beschreibt Prozesse in der Hadronenphysik, indem Austauschprozesse und Austauschteilchen auf eine einheitliche Topologie zurückgeführt werden, wenn Hadronen nicht als punktförmige Teilchen, sondern als Strings betrachtet werden. Verschiedene Familien von Elementarteilchen können in dieses Bild als unterschiedliche Schwingungsmoden von Strings integriert werden. 1984 schlugen Michael Green und John Schwarz ein Schema vor, das Supersymmetrie in die Stringtheorie einführte (Superstring statt String), wodurch die Raum-Zeit-Dimension auf 10 reduziert, das „Tachyon-Problem“ (Überlichtgeschwindigkeit) beseitigt und neue „Gravitations-Skalen-Strings“ berücksichtigt wurden. Die „niedrigste Schwingungsmode“ eines geschlossenen Strings war in der Hadronen-String-Theorie problematisch. In der neuen Theorie sagt sie die Gravitation voraus: das hypothetische masselose Teilchen mit Spin 2, das als Schwingungsmodus eines Strings auftritt, wird mit der Gravitation identifiziert.

Die Stringtheorie führt zu einer eigenartigen Theorie der Großen Vereinigung, die alle Elementarteilchen in einem einzigen Schema zu vereinen versucht. Die dabei auftretenden Symmetriegruppen sind umfassender als im Standardmodell. Ein ernstes Problem besteht in der Mehrdeutigkeit der Stringtheorie: Es existieren fünf grundsätzlich unterschiedliche mögliche Schemata der Verbindung, die durch Supersymmetrie zwischen Bosonen- und Fermionen-Schwingungsmodi eines Strings hergestellt werden. Entsprechend gibt es fünf Varianten der Stringtheorie.

Ein weiteres „großes Problem“ der Physik betrifft die Zunahme der Entropie und die Irreversibilität, die den Faktor Zeit in das Verständnis physikalischer Gesetze einführt (nach I. Prigogine die „Zeitpfeil“-Konzeption) und Fragen der Selbstorganisation und Evolution materieller Strukturen in den Bereich der Physik einbezieht.

Die Idee der Evolution in der physikalischen Weltanschauung entwickelte sich vor allem auf der Ebene kosmologischer Modelle der Struktur und Entstehung des Universums, in denen astrophysikalische Untersuchungen und Berechnungen auf der Grundlage der allgemeinen Relativitätstheorie und der Quantentheorie erfolgen. Belege für die Evolution des Universums sind: die Ausdehnung des Universums (gemäß der Entdeckung der Rotverschiebung in den Spektren entfernter kosmischer Objekte durch E. P. Hubble); die Dominanz von Materie in der Struktur des Universums (Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie); die Homogenität und Isotropie der leuchtenden Materie auf Skalen von 100 Megaparsec; das Vorhandensein der kosmischen Hintergrundstrahlung; das Vorhandensein von Galaxien und Galaxienhaufen unterschiedlichen Alters; und die gitterartige Struktur des Universums auf metagalaktischer Ebene.

Relativitätstheorie und Quantentheorie beantworten nicht die Frage nach der Entstehung der beobachteten Strukturen des Universums. Warum entsteht gerade ein Universum, das durch genau diese Erhaltungsgesetze und eine begrenzte Anzahl physikalischer Konstanten gekennzeichnet ist, bleibt offen. Versuche, die Idee der Evolution mit der Erhaltung der physikalischen Welt zu verbinden, für die fundamentale Weltkonstanten charakteristisch sind, führten zum Konzept der „feinen Abstimmung des Universums“ und zur Formulierung eines nicht-physikalischen erklärenden Prinzips, das das Vorhandensein eines Zusammenhangs zwischen den Parametern des Universums und der Existenz von Intelligenz darin postuliert.

Der Begriff „feine Abstimmung des Universums“ betont die fundamentale erhaltende Bedeutung der physikalischen Konstanten, der Eichsymmetrien und einer bestimmten Asymmetrie des physikalischen Vakuums (als Ausgangszustand der Urmaterie des Universums). Der Inhalt des Konzepts der feinen Abstimmung basiert auf der Annahme, dass universelle physikalische Konstanten eindeutig die Struktur unseres Universums bestimmen (prä-destinieren).

Die Grundlage des Konzepts der feinen Abstimmung bildet der numerische Zusammenhang zwischen den Parametern der Mikrowelt (Planck-Konstante, Elektronenladung, Nukleonengröße) und den globalen Eigenschaften des Universums (Masse, Größe, Existenzdauer). Analysen möglicher Änderungen der grundlegenden physikalischen Parameter zeigten, dass selbst geringfügige Änderungen der Weltkonstanten die Existenz unseres Universums in beobachtbarer Form unmöglich machen und die Entstehung von Leben darin ausschließen würden. Unter Physikern entstand die Idee eines fundamentalen Prinzips, nach dem die feine Abstimmung des Universums erfolgt (A. Eddington, P. Dirac, J. Barrow, R. Dicke, B. Carter). Der Zusammenhang zwischen den Parametern des Universums und dem Auftreten von Intelligenz wurde in der Formulierung des anthropischen Prinzips in der Kosmologie ausgedrückt.

Nach dem schwachen anthropischen Prinzip widersprechen die im Universum vorherrschenden physikalischen Bedingungen nicht der Existenz des Menschen. R. Dicke berechnete die Sternzeit – die mögliche Entstehung des Lebens in der Evolution des Universums –, die durch das Produkt zweier fundamentaler Konstanten bestimmt wird: des Inversen der Gravitationskonstante der Feinstruktur und einer Konstante, die das Alter des heutigen Universums ausdrückt. Dickes Schlussfolgerung, dass die Gravitationskonstante der Feinstruktur als Weltkonstante die Evolution des Universums auf die Entstehung des Menschen ausrichtet (zu dem Zeitpunkt, an dem das Universum ein bestimmtes numerisches Alter erreicht), stieß auf zahlreiche Einwände.

Das starke anthropische Prinzip, das die Wechselbeziehung der fundamentalen physikalischen Parameter des Universums mit der Möglichkeit und Notwendigkeit der Entstehung von Intelligenz behauptet, wurde von B. Carter formuliert: Die fundamentalen Parameter des Universums, von denen seine Stabilität abhängt, müssen so beschaffen sein, dass in einem bestimmten Stadium der Evolution die Existenz eines intelligenten Beobachters zulässig ist. Ein ausreichender physikalischer Beleg hierfür fehlt jedoch.

Diskussionen über die Quantenphysik und die Natur quantenmechanischer Phänomene sowie über die neue Kosmologie führten zur Einbeziehung von Fragen, die die Erklärung von Mikro- und Megaphänomenen betreffen, in den Kreis fundamentaler Probleme. Dabei traten Konzepte auf, die Prinzipien der Ganzheit und Evolution festhalten, die für klassische und nichtklassische Physik untypisch sind.

Zur Begründung des starken anthropischen Prinzips ist es wichtig, die fundamentalen physikalischen Konstanten durch universelle, veränderliche Größen zu ergänzen, die in der modernen Wissenschaft mit der Aktivität der Materie verbunden werden, insbesondere mit ihrer Fähigkeit zur Selbstorganisation. Die Problematik der Begründung des anthropischen Prinzips legte den Grundstein für die Entwicklung des Konzepts eines globalen Evolutionismus.

Das Zweifel an der Vollständigkeit des physikalischen Weltbildes hängt mit der ontologischen Problematik der Singularität zusammen – als einem besonderen Zustand des Universums, für den es keine adäquate physikalische Erklärung gibt und dessen Beschreibung zwangsläufig den zeitlichen Evolutionsfaktor einschließt – sowie mit der erkenntnistheoretischen Problematik der theoretischen Beschreibung von Phänomenen beim Übergang von Makro- zu Mikroerscheinungen, was die Möglichkeit einer einheitlichen, vereinheitlichten physikalischen Theorie infrage stellte, und mit der Problematik der Selbstorganisation.