Nancy Cartwright über Theorie und Experiment in der Wissenschaft

Gastbeitrag von Edward Feser

Nancy Cartwrights Buch A Philosopher Looks at Science (Eine Philosophin betrachtet die Wissenschaft) ist eine neue Bearbeitung einiger der langjährigen Themen ihrer Arbeit.  Es ist in ihrem typisch angenehmen Stil geschrieben und voller Einsichten.  Das Buch ist der Kritik an drei weit verbreiteten, aber falschen Annahmen über die Wissenschaft gewidmet: dass Wissenschaft im Wesentlichen nur Theorie plus Experiment ist; dass alles, was die Wissenschaft uns sagt, in gewissem Sinne auf die Physik reduzierbar ist; und dass die Wissenschaft zeigt, dass alles, was geschieht, einschließlich des menschlichen Handelns, durch die Gesetze der Physik bestimmt wird.  In diesem Beitrag werde ich erörtern, was sie über die erste dieser Behauptungen sagt, die das Thema des ersten und längsten Kapitels des Buches ist.  Den anderen Behauptungen werde ich vielleicht einen späteren Beitrag widmen.

Die Annahme, dass Wissenschaft auf Theorie plus Experiment hinausläuft, ist, wie Cartwright feststellt, unter Laien, Wissenschaftlern und Philosophen gleichermaßen verbreitet.  Die mathematisch ausdrückbare wissenschaftliche Theorie, die aus der modernen Physik bekannt und in Gleichungen wie F = ma verankert ist, wird als Goldstandard angesehen.  Aus solchen Gleichungen, so glaubt man, lassen sich bestimmte beobachtbare Konsequenzen vorhersagen, und der Sinn von Experimenten besteht darin, diese Vorhersagen zu überprüfen.  Und das ist im Grunde alles.  Doch wie Cartwright zeigt, ist das bei weitem nicht alles.  Neben der Theorie und den Experimenten gibt es Modelle, Erzählungen, Diagramme, Illustrationen, konkrete Anwendungen und so weiter.  Keines dieser Elemente lässt sich auf Theorie oder Experiment reduzieren, und sie sind auch nicht weniger wichtig für die Praxis und den Inhalt der Wissenschaft.  Und wenn wir sie berücksichtigen, erweisen sich sowohl die Wissenschaft als auch die Welt, die sie beschreibt, als weitaus komplizierter, als es die gängige Vorstellung von Wissenschaft und ihren Ergebnissen vermuten lässt.

Theoretische Konzepte

Cartwright beginnt ihre Analyse mit der Feststellung, dass jede Theorie in Begriffen ausgedrückt wird und dass die Wissenschaft nach Begriffen strebt, deren Inhalt sowohl eindeutig als auch empirisch ist.  Wie alle Wissenschaftsphilosophen wissen, erweist es sich als sehr schwierig, eine allgemeine Erklärung dafür zu finden, wie dies erreicht wird.  Cartwright fasst die bekannten Schwierigkeiten zusammen.  Erstens sind explizite Definitionen von theoretischen Begriffen offensichtlich nur begrenzt hilfreich, wenn die Definition selbst in weitere theoretische Begriffe gekleidet ist.  Irgendwann müssen wir zu Begriffen mit klarem empirischem Inhalt kommen.  Aber wie genau soll das funktionieren?

Der Operationalismus sah die Lösung darin, ein theoretisches Konzept in Form einer Operation zu definieren, mit der der Wissenschaftler das empirische Phänomen, das durch das Konzept erfasst wird, messen kann.  Es gibt jedoch mehrere Gründe, warum dies nicht funktionieren kann.  Zum einen führt es zu reduktionistischen Analysen, von denen wir unabhängig voneinander wissen, dass sie falsch sind.  Cartwright führt das Beispiel des Behaviorismus an, der eine Anwendung des Operationalismus auf die Psychologie war.  Der Behaviorist würde z. B. Wut anhand des beobachtbaren Verhaltens definieren, aufgrund dessen wir jemandem Wut zuschreiben würden.

Man beachte, dass die Implikation des Operationalismus hier nicht nur darin besteht, dass wir wissen können, dass jemand wütend ist, indem wir sein Verhalten beobachten.  Es geht darum, dass Wut nichts anderes ist als das Verhalten.  Ein Problem mit dieser Behauptung ist, dass sie einfach nicht wahr ist.  Eine Person kann wütend sein, ohne die üblichen Verhaltensanzeichen von Wut zu zeigen, und sie kann diese Anzeichen auch zeigen, ohne tatsächlich wütend zu sein.  Wut ist also mehr als nur ein Verhalten.  Ein weiteres Problem besteht darin, dass es sich, auch abgesehen davon, als unmöglich erweist, Wut oder irgendeinen anderen geistigen Zustand ausschließlich anhand von Verhaltensweisen zu analysieren.  Angenommen, wir sagen: "John ist wütend" bedeutet: "John ist bereit, seine Stimme zu erheben, die Stirn zu runzeln, mit den Füßen zu stampfen usw."  Das Problem ist, dass dieser Satz nur dann wahr ist, wenn John seine Gefühle nicht verbergen will.  Wenn wir unserer Definition jedoch einen Hinweis auf das Fehlen dieses Wunsches hinzufügen, haben wir nun einen weiteren mentalistisches Begriff – den Wunsch -, der einer behavioristischen Analyse unterzogen werden muss.  Und es stellt sich heraus, dass wir, um eine solche Analyse durchzuführen, auf weitere mentale Zustände Bezug nehmen müssen, die nun einer behavioristischen Analyse bedürfen, und so weiter ad infinitum.  Daher kann die operationalistische Analyse nicht wirklich durchgeführt werden.

Ein zweites Problem des Operationalismus besteht darin, dass er die falsche Implikation hat, dass es keine verschiedenen empirischen Tests für ein und dasselbe Konzept geben kann.  Denn der Operationalismus geht davon aus, dass ein Konzept nichts anderes ist als die Operation, mit der wir seine Anwendung testen.  Wenn wir also zwei verschiedene Tests haben, müssen wir es mit zwei verschiedenen Konzepten zu tun haben.  Aber das ist absurd.  Nehmen wir zum Beispiel den Begriff "rund".  Ich kann prüfen, ob etwas rund ist, indem ich es betrachte oder indem ich es fühle, und offensichtlich ist es ein und derselbe Begriff, den ich in beiden Fällen anwende.

Ein drittes Problem ist, wie Cartwright hervorhebt, dass es in der wissenschaftlichen Praxis oft harte Arbeit und Argumentation erfordert, um zu zeigen, dass ein bestimmter empirischer Test die Realität, die von einem wissenschaftlichen Konzept erfasst wird, plausibel misst.  Das könnte nicht der Fall sein, wenn das Konzept nicht mehr enthielte als den empirischen Test.  Daraus folgt, dass theoretische Konzepte mehr beinhalten als das, was durch solche Tests erfasst wird, und in diesem Fall ist der Operationalismus falsch.

Der logische Empirismus war, wie Cartwright feststellt, ein weiterer gescheiterter Versuch, das Problem zu lösen.  Die "logische" Komponente des logischen Empirismus hatte mit der Anwendung der modernen formalen Logik auf die Formulierung wissenschaftlicher Theorien zu tun, z. B. als axiomatische Systeme, aus denen Theoreme abgeleitet werden konnten.  Die Komponente "Empirie" hatte mit der Vorstellung zu tun, dass die Behauptungen einer Theorie durch Beobachtung überprüft werden können.  Auch hier gibt es mehrere Probleme.

Zum einen, was genau gilt als eine Beobachtung?  Nur das, was mit dem bloßen Auge (oder dem bloßen Ohr, der bloßen Nase usw.) wahrgenommen werden kann?  Oder zählen auch Beobachtungen, die mit Hilfe von Instrumenten gemacht werden?  Und was genau beobachten wir eigentlich – verstandesunabhängige physische Objekte oder Sinnesdaten?  Und sind alle wissenschaftlichen Behauptungen überhaupt auf diese Weise überprüfbar?  (Siehe S. 139-51 meines Buches Aristotle’sRevenge: The Metaphysical Foundations of Physical and Biological Science  für eine ausführliche Erörterung der unlösbaren Probleme des Verifikationismus).

Es stellt sich heraus, dass der Inhalt theoretischer Konzepte ebenso wie das, was in einer operationellen Definition erfasst werden kann, über das hinausgeht, was allgemein beobachtbar ist.  Der Inhalt der Begriffe wird stattdessen durch die Axiome der Theorie bestimmt, in die sie eingebettet sind.  Das Problem ist nun aber, wie Cartwright feststellt, dass solche Axiome nie ausreichen, um genau zu bestimmen, was in der empirischen Welt eine Theorie ist.  Nehmen wir noch einmal die Gleichung F = ma.  Für sich allein betrachtet sagt sie nicht mehr aus, als dass eine Größe gleich dem Produkt zweier anderer ist.  Und wie Cartwright bemerkt, gilt dies nicht nur für die Kraft, die Masse und die Beschleunigung eines materiellen Objekts, sondern auch für die Fläche eines Rechtecks im Verhältnis zur Länge seiner Seiten.  Die Gleichung selbst sagt nichts darüber aus, um welche dieser Größen es sich handelt.  Natürlich könnten wir unserem Axiom weitere Elemente hinzufügen, wie z. B. das Newtonsche Gesetz der universellen Gravitation.  Aber egal, wie viele wir hinzufügen, es wird immer alternative Interpretationsmöglichkeiten geben.

(Diese Frage steht in engem Zusammenhang mit der These des epistemischen Strukturrealismus, wonach physikalische Theorien uns nur die abstrakte Struktur der physikalischen Welt offenbaren, nicht aber ihre eigentliche Natur.  Siehe Kapitel 3 von Aristotle’s Revenge für eine ausführliche Diskussion).

In der Praxis machen sich Wissenschaftler und Laien, die mit ihrer Arbeit vertraut sind, natürlich keine Gedanken über solche Probleme.  Der Grund dafür ist zum einen, dass die meisten Menschen, wenn sie einer Gleichung wie F = ma begegnen, zumindest im Hinterkopf den gewöhnlichen Sprachgebrauch von Begriffen wie "Kraft", "Masse" und "Beschleunigung" haben und daher die Variablen ganz natürlich im Lichte dieser Begriffe interpretieren, auch wenn sie wissen, dass die Variablen nicht genau unseren Alltagsvorstellungen entsprechen müssen.  Zum anderen verwenden sie die Gleichung oft als Hilfsmittel für ganz praktische Aufgaben, etwa um die Geschwindigkeit eines von einem Tennisspieler geschlagenen Balls zu ermitteln (um ein Beispiel von Cartwright zu zitieren).

Aber all dies kommt von außerhalb der Theorie selbst, zumindest wenn wir die Mathematik allein als das betrachten, was für die Theorie als solche wesentlich ist.  Wie Cartwright betont, setzt der Nutzen der Theorie für praktische Anwendungen nicht voraus, dass die Welt wirklich genau so ist, wie die abstrakte Theorie sie darstellt.  (Sie führt das bekannte Beispiel der Phlogistontheorie an, die für Vorhersagen und technologische Anwendungen sehr nützlich war, obwohl sich herausstellte, dass es so etwas wie Phlogiston gar nicht gibt.)

Ich möchte einen weiteren Punkt hervorheben.  Es wird allgemein angenommen, dass die wissenschaftliche Theorie uns ein umfassenderes und genaueres Bild der Welt vermittelt als der gesunde Menschenverstand, und dass sie die Beschreibung von Phänomenen durch den gesunden Menschenverstand ersetzen sollte.  Doch wie Cartwrights Argumentation zeigt, ist dies das Gegenteil der Wahrheit.  Zum einen kann die wissenschaftliche Theorie ohne eine gewisse Verbindung zum gewöhnlichen Sprachgebrauch, aus dem sich ihre Begriffe letztlich ableiten, und zu den konkreten Anwendungen, auf die die Theorie angewandt wird, nicht einmal eine eindeutige Interpretation erhalten.  Zum anderen beschreibt die Theorie in Wirklichkeit nur abstrakte Merkmale der allgemeinen Erfahrungswelt und nicht diese Welt in ihrer ganzen Komplexität.  Das bedeutet nicht unbedingt, dass die wissenschaftliche Theorie eher instrumentalistisch als realistisch interpretiert werden sollte.  Aber es unterstützt die erkenntnistheoretische, strukturell-realistische Sichtweise, dass das, was die Theorie beschreibt, zwar wirklich in der Natur vorhanden ist, dass sie aber bei weitem nicht alles erfasst, was in der Natur vorhanden ist.  (Siehe Aristotle’s Revenge für eine ausführliche Darstellung und Verteidigung dieser Ansicht).

Jenseits der Theorie

Da die tatsächlichen Anwendungen einer Theorie oft unbewusst bestimmen, wie wir sie interpretieren, können wir blind dafür sein, wie viel Arbeit die Anwendung leistet und wie wenig die Theorie für sich genommen.  Insbesondere, wenn wir eine Theorie isoliert betrachten, nur im Hinblick auf ihre mathematische Formulierung, können ihre Konzepte sehr präzise erscheinen.  Eine konkrete Anwendung der Theorie kann jedoch eine Interpretation dieser Begriffe beinhalten, die nicht so präzise ist.  Dennoch kann sie ihren Nutzen behalten, und zwar gerade deshalb, weil die Konzepte in einer Weise angewendet werden, die über den Inhalt der Theorie selbst hinausgeht.

Die Folge davon ist, dass Wissenschaftler oft annehmen, dass Präzision möglich ist, wo sie in Wirklichkeit nicht möglich ist.  Oder weil die Anwendung eines Begriffs in einem begrenzten Bereich präzise sein kann, nehmen die Wissenschaftler fälschlicherweise an, dass er ebenso präzise sein muss, wenn es über diesen Bereich hinausgeht.  Dies ist, so Cartwright, in den Sozialwissenschaften besonders wahrscheinlich.  Als Beispiel führt sie den Begriff der Wahrscheinlichkeit an.  Bei einfachen Beispielen wie dem Ziehen von Karten aus einem fairen Stapel können die Wahrscheinlichkeiten verschiedener möglicher Ergebnisse genau bestimmt werden.  Daraus folgt jedoch nicht, dass wir Ereignissen im Allgemeinen sinnvoll Wahrscheinlichkeiten zuordnen können, und Cartwright ist der Ansicht, dass es gute Gründe für die Annahme gibt, dass dies tatsächlich nicht möglich ist.

Sie weist insbesondere darauf hin, dass Wahrscheinlichkeiten in Bezug auf das bestimmt werden, was Ian Hacking als "zufällige Konstellationen" bezeichnet.  Dabei handelt es sich um Umstände, bei denen sowohl die möglichen Ergebnisse als auch die Prozesse, die zu ihnen führen könnten, vollständig spezifiziert werden können und bei denen von vornherein Wahrscheinlichkeiten in die Situation eingebaut sind, aus denen sich die Wahrscheinlichkeiten, die wir berechnen wollen, logisch ergeben.  Auch hier wäre das Ziehen von Karten aus einem fairen Stapel ein Beispiel.  Vieles, was in der Natur geschieht, ist jedoch kein Zufallsprodukt in diesem Sinne.  Zum Beispiel gibt es in der realen Welt (im Gegensatz zu dem, was Cartwright die "kleine Welt" nennt, die Sozialwissenschaftler verwenden) oft nicht nur einen relativ einfachen und festen Satz von Variablen, die mögliche Ergebnisse beeinflussen könnten.

Aus diesem Grund urteilt Cartwright, dass vieles von dem, was Sozialwissenschaftler über "Effektgrößen" bei der Bewertung alternativer Politikvorschläge sagen, schlecht begründet ist.  (Cartwright erwähnt nicht die Relevanz all dessen für Argumente für verschiedene Pandemiepolitiken, Reformen der Strafjustiz, "gleichheitsbewusste" Bildungsvorschläge und andere derzeit trendige Themen, aber es ist offensichtlich.  Ich überlasse Ihnen die Einzelheiten als Hausaufgabe.)

In jedem Fall, so Cartwright, wird die Theorie in den Natur- wie in den Sozialwissenschaften immer nur über verschiedene Zwischenstufen in die Welt eingebracht.  Da sind zunächst die idealisierten Modelle, mit denen wir Abstraktionen wie die Gesetze der Physik auf die konkrete Wirklichkeit übertragen.  Wenn wir beispielsweise die Newtonschen Gesetze auf das Sonnensystem anwenden, tun wir dies, indem wir das Sonnensystem modellieren (im Sinne eines Systems von Punktmassen, die eine größere Punktmasse umkreisen usw.).  Auf diese Weise wird unsere Anwendung von Abstraktionen durch weitere Abstraktionen vermittelt.  Es gibt auch die konkreten Erzählungen, durch die all diese Abstraktionen verständlich gemacht werden.  (Man denke nur daran, dass wir, um selbst ein so einfaches System wie das Sonnensystem zu verstehen, große Objekte, die sich mit der Zeit um andere große Objekte durch den Raum bewegen, grob visualisieren müssen; dass wir, um die Implikationen der speziellen Relativitätstheorie zu verstehen, Geschichten über Zwillinge erzählen, die auf Raketenschiffen reisen, und so weiter).  Cartwright stellt fest, dass auch Diagramme, Grafiken und Illustrationen einen großen Einfluss darauf haben, wie wir die Theorie interpretieren und anwenden.  Auch diese verschiedenen Vermittler sind nicht überflüssig.  Ohne sie könnten wir Theorien einfach nicht verstehen oder nutzen.

Schließlich ist auch das Experimentieren, so Cartwright, eine viel komplexere Angelegenheit, als es die gängige Vorstellung "Wissenschaft = Theorie + Experiment" vermuten lässt.  Experimente werden oft so behandelt, als ob ihr einziger Zweck darin bestünde, die Theorie zu testen.  Aber das ist nicht der Fall.  Manchmal werden Experimente auch ohne eine gut ausgearbeitete Theorie durchgeführt, und zwar auf eine Art und Weise, die einfach darauf abzielt, zu sehen, was unter verschiedenen Umständen geschieht.  Manchmal werden durch Experimente neue Phänomene geschaffen, die sonst nicht beobachtet würden – und für die es, gerade weil sie sonst nicht beobachtet würden, noch keine Theorie gibt, die sie erklären könnte.  Manchmal stellen Experimente Phänomene in dem Sinne neu dar, dass sie unser Verständnis von ihnen tiefgreifend verändern, selbst wenn es keine theoretischen Überlegungen gibt.  Und in all diesen Fällen hängt das Experiment wie die Theorie von der Festlegung des Inhalts von Begriffen, von Modellen usw. ab.

"Die Wissenschaft ist keine exakte Wissenschaft"

Ich habe bereits eine der Implikationen erwähnt, die ich in Cartwrights Diskussion sehe, nämlich die Unterstützung einer epistemischen strukturell-realistischen Interpretation der modernen Physik.  Hier ist eine weitere.  Es ist ein Gemeinplatz der modernen Wissenschaftsphilosophie, dass die Theorie durch empirische Evidenz unterbestimmt ist.  Das bedeutet, dass es für eine beliebige Menge empirischer Beweise immer alternative mögliche Theorien gibt, die miteinander unvereinbar, aber mit diesen Beweisen vereinbar sind.  Das bedeutet nicht, dass alle Theorien gleich gut sind, sondern nur, dass Überlegungen, die sowohl von der Theorie als auch von der empirischen Evidenz unabhängig sind, letztlich notwendig sind, um zwischen Theorien zu wählen.  Wissenschaftsphilosophen wie Thomas Kuhn und Paul Feyerabend haben auch gezeigt, wie außerwissenschaftliche Überlegungen (z. B. philosophischer Art) eine entscheidende Rolle bei der Bestimmung des Ergebnisses wissenschaftlicher Untersuchungen spielen.

Die von Cartwright vorgebrachten Überlegungen verstärken diese Urteile erheblich.  Insbesondere verstärken sie die Unterbestimmtheit der Theorie durch die Evidenz insofern, als es nicht nur alternative Theorien gibt, die mit derselben empirischen Evidenz vereinbar sind.  Es gibt auch die alternativen möglichen Modelle, Erzählungen, Diagramme usw., die zwischen Theorie und Evidenz vermitteln.  Und wie bei den Theorien können auch bei den Modellen, Erzählungen, Diagrammen usw. philosophische Erwägungen ebenso wie empirische Überlegungen unser Urteil darüber beeinflussen, was innerhalb der Bandbreite respektabler Optionen liegt, was alles in allem plausibel ist, und so weiter.

Dies bedeutet keineswegs, dass die Wissenschaft kein rationales Unternehmen ist, ebenso wenig wie die Philosophie ein rationales Unternehmen ist.  Es bedeutet jedoch, dass die Grenze zwischen Wissenschaft und Philosophie viel weniger scharf ist, als gemeinhin angenommen wird.  Wie ich an anderer Stelle ausführlich dargelegt habe (u. a. in Aristotle’s Revenge), ist vieles von dem, was heute als "wissenschaftlich" gilt – die Weigerung, irreduzibel teleologische Erklärungen in Betracht zu ziehen, die Unterscheidung zwischen primärer und sekundärer Qualität usw. – in Wirklichkeit nur umstrittene philosophische Annahmen, die sich als empirische Ergebnisse tarnen.  Und es ist nicht möglich, Wissenschaft zu betreiben, ohne irgendwelche philosophischen Annahmen zu machen, die zwangsläufig umstritten sind.

Um eine Zeile aus dem Film 12 Monkeys zu zitieren: "Die Wissenschaft ist keine exakte Wissenschaft".  Sicherlich gibt es in ihren rein mathematischen Aspekten eine gewisse Exaktheit, aber das liegt genau daran, dass mathematische Darstellungen einfach alle Aspekte der Realität auslassen, die nicht in diese exakte Darstellungsweise passen - und das ist eine ganze Menge, wie sich herausstellt.  Es gibt nicht nur mehr Dinge im Himmel und auf der Erde, als sich die Wissenschaftler träumen lassen, auch die Wissenschaft selbst hat mehr zu bieten, als sie sich träumen lassen.