Ockhams Rasiermesser

Unter Ockhams Rasiermesser versteht man das so genannte Ökonomieprinzip in der Wissenschaft. Dieses besagt, dass unter mehreren möglichen Theorien die einfachste zugleich die beste ist. Dieses Prinzip wurde zwar nicht im Wortlaut von Wilhelm von Ockham (1280–1349) aufgestellt, findet sich jedoch implizit in seinen Schriften und wurde nach ihm von vielen aufgegriffen und variiert …

… bis hin zum berühmten KISS-Prinzip unserer Tage – keep it small and simple, mache es klein und einfach. Einfache Denkmodelle sollen also komplizierteren vorgezogen und Hypothesen nicht mit unnötigen Sachverhalten verkompliziert werden. Und was hat das nun mit einem Rasiermesser zu tun? Ganz einfach, der Zusatz »Rasiermesser« ist als Metapher zu verstehen: Die einfachste Erklärung ist vorzuziehen, alle anderen Theorien werden wie mit einem Rasiermesser wegrasiert. Ockhams Rasiermesser gilt heute als Grundprinzip der wissenschaftlichen Methodik. Wie es praktisch angewandt wird, lässt sich am ehesten in einem einfachen Beispiel erklären, das der gängigen Wissenschaftsliteratur entnommen ist:

Nach einem Sturm sieht man einen umgefallenen Baum. Aus den Beobachtungen »Sturm« und »umgefallener Baum« lässt sich die einfache Hypothese ableiten, dass »der Baum vom starken Wind umgeweht« wurde. Diese Hypothese erfordert nur eine Annahme, nämlich dass der Wind den Baum gefällt hat, nicht ein Meteor oder ein Elefant. Die alternative Hypothese »der Baum wurde von wilden, 200 Meter großen Außerirdischen umgeknickt« ist laut Ockhams Rasiermesser weniger hilfreich, da sie im Vergleich zur ersten Hypothese mehrere zusätzliche Annahmen erfordert. Zum Beispiel die Existenz von Außerirdischen, ihre Fähigkeit und ihren Willen, interstellare Entfernungen zu bereisen, die Überlebensfähigkeit von 200 m hohen Wesen bei irdischer Schwerkraft usw.

Theorie und Experiment

Naturwissenschaftliche Methodik, wie sie auch Basis von innovativen Technikunternehmen ist, stützt sich auf das Zusammenspiel von Theorie und Experiment. Sie benutzt als Sprache die Mathematik und als Methode die Logik, um theoretische Konzepte zu erarbeiten. Experimente und Beobachtungen der unbelebten Natur müssen die Theorie stützen, sonst gilt sie als widerlegt.

Dieses fundamentale Konzept allen wissenschaftlichen Arbeitens verfolgen neben der Physik auch alle anderen Naturwissenschaften. Doch nicht immer waren die beiden Säulen Theorie und Experiment Grundlage der wissenschaftlichen Methodik. Galileo Galilei (1564–1642) wird zugeschrieben, als Erster die Symbiose dieser beiden Teilbereiche naturwissenschaftlicher Arbeit konsequent betrieben zu haben. Mit ihm kam im Zeitalter der Aufklärung die moderne, wissenschaftliche Methode auf, Gesetzmäßigkeiten durch Beobachtungen zu bestätigen. Ein gewaltiger geistiger Entwicklungsschritt, der die bis heute geltenden wesentlichen Eigenschaften des rationalen Forschens begründete:

• die sprachliche Versachlichung des Problems
• die Einbettung in eine Theorie oder Hypothese
• die Wiederholbarkeit der Ergebnisse unter gleichen Bedingungen

Ohne diese Spielregeln des wissenschaftlichen Arbeitens wären die großen physikalischen Theorien des
20. Jahrhunderts wie die Relativitätstheorie und die Quantentheorie wohl nie entwickelt worden. Denn beide widersprechen dem, was der so genannte »gesunde Menschenverstand« zu akzeptieren bereit ist. Bis heute bereiten sie Menschen, die mit wissenschaftlicher Methodik nicht vertraut sind, beträchtliche Verständnisprobleme. Erst die Symbiose aus Theorie und Experiment hat somit der Wissenschaft Wege eröffnet, wirkliches Neuland zu betreten – jenseits menschlicher Vorstellungskraft.

Das Licht der Erkenntnis

Mit dieser Formel, die das Auflösungsvermögen von Mikroskopen beschreibt, begann eine neue Ära in der Erforschung des nicht mit bloßem Auge Sichtbaren – λ ist die Lichtwellenlänge, n die Brechzahl des Mediums zwischen dem Gegenstand und dem Objektiv (das kann Luft, aber auch eine Flüssigkeit sein) und α der halbe Öffnungswinkel des Objektivs.

Führende Unternehmen für optische Präzisionssysteme hätten die deutsche optische Industrie ohne diese von einem rastlosen Forschergeist entwickelten Grundlagen nicht dorthin führen können, wo sie heute steht: an der Weltspitze. Bei Licht betrachtet, ist das, was uns heute in der optischen Mikroskopie, der konfokalen Lasermikroskopie und den diversen Bildanalysesystemen tiefe Einblicke in die Strukturen und Eigenschaften von Werkstoffen und die kleinsten Bausteine des Lebens erlaubt, ein noch immer nicht vollständig verstandenes Phänomen – Licht. Definiert als der sichtbare Bereich der elektromagnetischen Strahlung von etwa 380 bis 780 Nanometer Wellenlänge. Charakterisiert durch seine Wellenlänge (Farbe), die dazu gehörende Frequenz sowie die Eigenschaften Kohärenz und Polarisation. Sowohl mit Wellen- wie auch mit Teilcheneigenschaften ausgestattet und an eine Geschwindigkeit gebunden, die eine entscheidende Rolle in der Relativitätstheorie spielt, ist Licht der »Stoff«, aus dem Wissenschaftlerträume sind. Ohne Licht kein E = mc2. Ohne Licht kein Planck’sches Wirkungsquantum. Ohne Licht keine Einsicht in die Zusammenhänge des Lebens und damit kein »Living up to Life«.

Murphys Gesetz

Murphys Gesetz ist eine launige Lebensweisheit, die eine Aussage über das menschliche Versagen bzw. über die Fehlerquellen in komplexen Systemen macht. Die auf den US-amerikanischen Ingenieur Edward A. Murphy, jr. zurückgehende, ursprüngliche Formulierung lautet: »Wenn es zwei oder mehrere Arten gibt, etwas zu erledigen, und eine davon kann in einer Katastrophe enden, so wird jemand diese Art wählen.«

Eine umgangssprachlichere Fassung, auch als Finagles Gesetz bekannt, lautet: »Alles, was schief gehen kann, wird auch schief gehen.« Die zugrunde liegende Beobachtung hat durchaus Relevanz für die moderne Wissenschaft. So wird sie in der Technik, beispielsweise in der Informatik oder in der Sicherung von High-end Quality, als analytischer Maßstab für Fehlervermeidungsstrategien angewandt (Fail-Safe-Prinzip = Ausfallsicherheit durch redundante Systeme) und stellt damit das ansonsten partytaugliche »Gesetz« auf eine durchaus ernsthafte Basis.

Das Universalwerkzeug Mathematica

Bl�ttert man durch das Handbuch des Programms Mathematica von Wolfram Research, kann man sich der Ahnung nicht erwehren, es mit einer Art eierlegender Wollmilchsau der mathematischen Software zu tun zu haben. In einem Interview mit Spektrum der Wissenschaft hat Jon McLoone, der Entwickler des m�chtigen Softwarepakets und einer, der sich mit Leib und Seele der Wissenschaft verschrieben hat, diesen Eindruck unl�ngst best�tigt.

Mathematica zeigt damit in gewisser Weise einen Zukunftstrend auf. Da die meisten Softwarepa­kete als sehr spezielle Lösungen für einen engen Problembereich entstehen und nach dem Zwiebelschalenprinzip immer mehr erweitert werden, fehlt ihnen in der Regel ein einheitliches, alle Anwendungen übergreifendes Konzept. Mathematica hingegen ist auf größtmögliche Anwendungsbreite angelegt und mittlerweile in seiner neuesten Version ein Universalist, der zugleich in Computeralgebra auf dem Stand der Technik ist, die Fähigkeit zur wissenschaftlichen Dokumentation hat und mit seiner klassischen Gleitkomma-Numerik auch mit gängigen Zahlenfresser-Programmen mithält. Wissenschaftler in Forschung und Lehre, Ingenieure und die Analysten der Finanzbranche arbeiten mit ihm. Künstler nutzen die Möglichkeit, sehr bequem algorithmisch definierte Bilder ohne große wissenschaftliche Bedeutung zu erzeugen. Und irgendwie kommt dem Betrachter Leonardo da Vinci in den Sinn, das Universalgenie der Renaissance, der ebenfalls Wissenschaft und Kunst zu vereinen vermochte. Schließt sich hier ein großer Kreis zwischen dem 15. und dem 21. Jahrhundert?

Die Flutwelle des Wissens

Das Wissen, so liest man, veraltet in unserer Wissensgesellschaft schneller und schneller. Um 1800 betrug die Zeitdauer der Verdopplung des Wissens der Menschheit noch 100 Jahre. Seit 1966 ist die benötigte Zeitdauer zur Verdopplung des Weltwissens auf fünf Jahre geschrumpft. Der Zeitraffer, mit dem bisheriges Wissen überholt und durch neues ersetzt wird, beschleunigt sich in Schwindel erregendem Tempo.

Aktuell sind es nach Erkenntnissen der Berkeley School of IMS der University of California gerade noch zweieinhalb Jahre: »Es hat 300.000 Jahre gedauert, bis die Menschheit 12 Exabyte (Milliarden Gigabyte) an Informationen angehäuft hat. Für die nächsten 12 Exabyte werden wir nur noch zweieinhalb Jahre brauchen.

Weltweit wird jede Minute eine neue chemische Formel entwickelt, alle drei Minuten ein neuer physikalischer Zusammenhang erforscht und alle fünf Minuten eine neue medizinische Erkenntnis gewonnen. Leider hat noch niemand erforscht, wie hoch dieser Wert wohl in der Hightech-Optik sein mag. Allerdings veraltet Spezialwissen insbesondere durch die rapiden technischen Entwicklungen im IT-Bereich (neue Software, neue Prozessoren, neue Programmiersprachen etc.) sehr schnell. Für viele Branchen gilt längst, dass, wer nicht ständig dazu lernt, sein Fachwissen nach drei Jahren halbiert hat. Gleiches gilt für die Geschwindigkeit wissenschaftlicher Publikationen. Die Geschwindigkeit, in der neue Bücher veröffentlicht werden, hat sich in den letzten ein bis zwei Dekaden verdoppelt. Diese Verdopplungsrate ist seit rund drei Jahrhunderten konstant und interessanterweise identisch mit dem Wachstum der Zahl der Wissenschaftler. Ein durchschnittlicher Wissenschaftler überfliegt pro Jahr 10.000 Aufsatztitel, studiert davon 100 detaillierter, publiziert 1 Aufsatz pro Jahr und zitiert 10 andere.

Man muss sich allerdings davor hüten, die Zahl der Publikationen mit Wissen gleichzusetzen. Wissen ist komprimierte und interpretierte Information und kann deshalb nicht genau so schnell wachsen wie die Zahl der Publikationen. Trotzdem erhält natürlich die Fähigkeit und die Bereitschaft, ein Leben lang zu lernen,
vor dem Hintergrund dieser weltweiten Flutwelle des Wissens eine ganz neue Bedeutung: Wir alle sind ewige Schüler, wenn wir erfolgreich sein wollen und damit selbst dafür verantwortlich, uns in allem, was wir tun, permanent zu verbessern.

Roboter, die Tee servieren

Was haben die traditionelle japanische Teezeremonie und die Hingabe an wissenschaftliches Arbeiten miteinander zu tun? Sehr viel. Denn mit ihrem Projekt, Robotern diesen bedeutenden Bestandteil der japanischen Kultur beizubringen, haben Wissenschaftler der Universität von Tokio eine wichtige kulturelle Hürde genommen.

Was vor Jahren mit einem Boom spielzeughafter Haustier-Roboter wie Sonys Aibo begonnen hat, setzt sich in der aktuellen japanischen Robotikforschung fort. Asimo von Honda oder der SDR-3X von Sony als Roboter, die erstaunlich sicher auf zwei Beinen gehen und einfache, menschlich anmutende Handlungen ausführen können, waren weitere Highlights auf diesem Weg. Das Ziel der wissenschaftlichen Bemühungen, daraus machen die Forscher kein Hehl, ist es, robotische Haushaltshilfen zu entwickeln, die sich in der Familie, bei der Kinderbetreuung und in der Altenpflege einsetzen lassen. Das Spannende bei dieser Entwicklung ist, dass die gesamte japanische Gesellschaft diesem Trend zur alltagsnahen Robotik mit Begeisterung folgt. Zudem dokumentiert sich darin der ganz grundsätzliche und hoch ethische Anspruch jeglicher Hingabe an die Wissenschaft – das Leben der Menschen zu verbessern, zu erleichtern und bereichern. Also das, was Thomas Alva Edison in die Worte fasste: »Ich habe nie eine Erfindung vollendet, von der ich nicht überzeugt war, dass sie den Menschen nutzen würde. Zunächst finde ich heraus, was die Welt braucht, und dann beginne ich mit der Erfindung.« Was nur eine andere Formulierung ist für unser eigenes »Living up to Life«.

Das Reich der Erfinder

Was verbindet den Regenschirm, Zündhölzer, Toilettenpapier, Getreidemühle, Hammerwerk, Trittwebstuhl, Schießpulver, Raketen, den Eisenguss, den Kompass, das Porzellan, die Papierherstellung, das Drucken mit beweglichen Lettern und die Räderuhr mit Hemmung? Richtig. Es sind allesamt Ergebnisse chinesischer Wissenschaft, die früher oder später den Weg in den Westen gefunden haben.

Dies oft auf abenteuerlichen Wegen. Der Buchdruck beispielsweise, ohne den bis heute keine wissenschaftliche Dokumentation möglich wäre, basiert auf einem Holzschnittverfahren mit ganzen Platten, das während der Tang-Dynastie (618–907 n. Chr.) in China erfunden wurde. Dies ist eine zeit- und arbeitsaufwändige Technologie, die während der Song-Dynastie (960–1279 n. Chr.) durch einen Drucker namens Bi Sheng zur Buchdruckkunst mit beweglichen Lettern weiterentwickelt wurde. Die von ihm verwendeten Lettern aus lehmiger Tonerde wurden später durch Holz und Zinn ersetzt. Mitte des 14. Jahrhunderts fanden beide Verfahren den Weg nach Westen und regten den Druckpionier Johannes Gutenberg in Mainz an, seine eigene Drucktechnik mit beweglichen Lettern aus einer Metall-Legierung daraus zu entwickeln. Genau genommen hat er die Inspiration zu seiner Erfindung seiner Frau zu verdanken. Denn diese hatte ihm von einer Venedigreise einige eingeschnitzte Druckplatten vermutlich chinesischen Ursprungs mitgebracht.

Wissenschaft verbindet Kulturen

Wie die Europäer seit der Zeit der Aufklärung schätzen auch die asiatischen Kulturen traditionell Weisheit und Wissen hoch. Dies verbindet nicht nur West und Ost, es ist zugleich die Basis für eine außergewöhnliche Hingabe an das, was Wissenschaft und Forschung im Kern ausmacht – die gemeinsame Suche nach neuen Erkenntnissen, die die Menschheit weiterbringen.

Indem ferner Osten und naher Westen den dazu notwendigen Wissensdurst teilen, ergeben sich tausend Möglichkeiten zu Kooperation und praktischem Teamgeist. Indische Computer- und IT-Expertise tauscht sich im europäischen Forschungsnetz GÉANT mit den führenden Wissenschaftlern des Westens aus. Gemeinsam arbeitet man am Satelliten-Navigationssystem Galileo. Die indischen Forschungszentren in Delhi, Mumbai, Bangalore und dem nicht von ungefähr als »Cyberabad« titulierten Hyderabad beeindrucken mit dem Niveau ihrer Arbeiten. Europäische und US-amerikanische Unternehmen eröffnen Dependancen auf dem Subkontinent. Indische Studenten und Wissenschaftler bereichern weltweit die staatlichen und privaten Forschungseinrichtungen. Wissenschaft ist Teamarbeit und längst positiv gelebte Globalisierung – nicht nur kulturübergreifend, sondern kulturverbindend. Und damit ist sie ihrer Zeit in vieler Hinsicht voraus.