Komplementaritätsprinzip

Grundidee und quantenphysikalischer Kern

Das von Niels Bohr formulierte Komplementaritätsprinzip besagt: Zwei methodisch verschiedene Beobachtungen oder Beschreibungen eines Phänomens können einander ausschließen und dennoch zusammengehören und sich ergänzen. Erst gemeinsam ergeben sie ein umfassenderes Bild des untersuchten Vorgangs. Das Prinzip ist besonders für die Quantenmechanik wichtig, weil dort die Versuchsanordnung mitbestimmt, welche Eigenschaft beobachtet werden kann.

Bohr führte den Begriff 1927 auf einem Physikerkongress in Como ein. Nach seiner Definition sind die Raum-Zeit-Darstellung und die Forderung der Kausalität komplementäre, aber einander ausschließende Merkmale der Beschreibung. In der klassischen Physik werden beide gewöhnlich miteinander verbunden. In der Quantenmechanik ist dagegen eine detaillierte kausale Verfolgung atomarer Prozesse nicht möglich. Jeder Versuch, Informationen über solche Prozesse zu gewinnen, greift nach Bohr in grundsätzlich nicht vollständig kontrollierbarer Weise in ihren Verlauf ein. Darin sah er auch eine Analogie zu allgemeinen Erkenntnisproblemen, die aus der Unterscheidung zwischen Subjekt und Objekt entstehen.

Ein typisches Beispiel ist der Welle-Teilchen-Dualismus des Lichts: Abhängig von der Versuchsanordnung zeigt Licht Wellen- oder Teilcheneigenschaften. Beide Eigenschaften lassen sich nicht gleichzeitig auf dieselbe Weise bestimmen, gehören aber zur Beschreibung desselben physikalischen Phänomens. Eine Entsprechung ist Werner Heisenbergs 1927 eingeführte Unschärferelation: Ort und Impuls eines Teilchens können nicht gleichzeitig erfasst werden.

Experimente und Merkmale komplementärer Aussagen

Das Doppelspaltexperiment verdeutlicht die Rolle des Messvorgangs. Wird der genaue Weg eines bestimmten Teilchens detektiert, verändert diese Messung den Ausgang des Experiments maßgeblich. Unter bestimmten Voraussetzungen kann dieser Effekt durch einen Quantenradierer rückgängig gemacht werden. In der klassischen Physik beeinflusst die Messung ihr Ergebnis dagegen nicht in vergleichbar bedeutsamer Weise.

Nach der ursprünglichen Auffassung konnten Wellen- und Teilchencharakter nicht gleichzeitig innerhalb desselben Experiments gemessen werden. Neuere Experimente, etwa der Forschungsgruppe um Anton Zeilinger, ermöglichten es, innerhalb eines Experiments zwischen der Wellen- und der Teilcheneigenschaft eines Photonenpaares zu „wechseln“. Die beobachtete Eigenschaft wird dabei erst durch den experimentellen Eingriff in die Doppelspalt-Anordnung hergestellt.

Bohrs Auffassung führte von Anfang an zu Verständigungsschwierigkeiten und unterschiedlichen Interpretationen. Übereinstimmend wird meist angenommen, dass physikalische Aussagen von ihrem Kontext und besonders von den gewählten experimentellen Bedingungen abhängen. Zwei elementare Aussagen sind komplementär, wenn sie nicht gleichzeitig entschieden werden können. Die Methode, die eine Eigenschaft sichtbar macht, verhindert das Auftreten der Eigenschaft, die an eine andere Versuchsanordnung gebunden ist. Die Ergebnisse der getrennten, einander ausschließenden Anordnungen ergänzen sich zu einem Gesamtbild und gleichen ihre jeweilige „methodische Blindheit“ aus.

Häufig genannte Definitionsmerkmale sind: Zwei ausgewählte Versuchsanordnungen führen innerhalb einer erklärenden physikalischen Theorie zu zwei nicht gleichzeitig registrierbaren Beobachtungs- oder Phänomensätzen. Diese sind methodisch einander ausschließend, ko-kausal – also nicht kausal voneinander abhängig – sowie ko-referenziell und ko-extensional, das heißt auf denselben Vorgang bezogen. Deshalb gelten sie als komplementär oder nicht-kompatibel. Die Aussagen werden außerdem als kontradiktorisch, nicht-exhaustiv, inkommensurabel oder inkompatibel bezeichnet. Die besondere Formulierung „weder kompatibel noch inkompatibel, sondern nicht-kompatibel“ soll ausdrücken, dass ihre Beziehung eine dritte, komplementäre Form besitzt.

Logische und wissenschaftstheoretische Präzisierung

Donald MacKay vertrat 1958 die Auffassung, Komplementarität habe nicht nur eine physikalische, sondern eine logische Grundbedeutung. Logisch komplementäre Beschreibungen haben einen gemeinsamen Gegenstand und können jeweils grundsätzlich erschöpfend sein. Sie machen dennoch unterschiedliche Aussagen, weil die logischen Voraussetzungen für Definition oder Gebrauch ihrer Begriffe – also ihre Kontexte – einander ausschließen. Aspekte, die in der einen Beschreibung vorkommen, müssen deshalb in der anderen fehlen. Ihre Zusammenführung dient als übergeordnete Darstellung. Zugleich warnt das Prinzip davor, solche Beschreibungen fälschlich als Aussagen über verschiedene Dinge, als synonym, als nicht erschöpfend oder als gewöhnlich widersprüchlich zu behandeln.

Hugo Bedau und Max Oppenheim versuchten 1963 eine wissenschaftstheoretisch genaue Erklärung des quantenmechanischen Komplementaritätsbegriffs. Sie unterschieden unter anderem Beobachtungssätze von Interpretationssätzen, Phänomen von Interpretation sowie eine paradoxe Situation von ihrer Auflösung nach Bohr.

Nach ihrer Analyse sind zwei Phänomensätze nur dann komplementär, wenn sie sechs zusammenhängende Bedingungen erfüllen: Sie beschreiben Beobachtungen, die durch wechselseitig ausschließende Versuchsanordnungen genau festgelegt sind; sie beziehen sich auf ko-kausale Objekte; sie sind erschöpfend; sie werden in klassischer Sprache ausgedrückt; sie werden durch ko-referenzielle Interpretationen gedeutet; und diese Interpretationen verwenden eine quasi-klassische Sprache. Keine dieser Bedingungen ist für sich allein ausreichend.

Bedau und Oppenheim beurteilten Übertragungen auf andere Gebiete skeptisch. Ihrer Ansicht nach berücksichtigen solche Anwendungen gewöhnlich nicht die Auflösung einer paradoxen Situation, ohne die der quantenmechanische Bedarf an Komplementarität gar nicht entstehe. Die ihnen bekannten Beispiele außerhalb der Quantenmechanik seien daher höchstens Fälle von Nicht-Kompatibilität. Diese sei wichtig, aber weder in der Quantenmechanik noch anderswo hinreichend für Komplementarität.

Verallgemeinerung durch Bohr

Bohr betonte, dass Phänomen und Beobachtungsmittel nicht streng getrennt werden können, und übertrug den Gedanken auf Biologie, Psychologie und Kultur. In der Psychologie zeigt sich eine entsprechende Schwierigkeit darin, dass Befunde von der Untersuchungssituation und von der sozialen Interaktion zwischen Untersucher und Untersuchungsteilnehmer abhängen können. Bohr definierte bei solchen Übertragungen jedoch die quantenmechanischen Voraussetzungen nicht in vergleichbarer Weise und unterschied nicht konsequent zwischen Beobachtungssätzen und daraus abgeleiteten Interpretationssätzen.

In Bohrs Darstellungen von 1931 und 1937 lassen sich drei Bedeutungsstufen unterscheiden. Erstens bezeichnet Komplementarität zwei zusammengehörige, aber einander ausschließende Beobachtungssätze über quantenmechanische Sachverhalte in experimentellen Messanordnungen. Zweitens bezeichnet sie zusammengehörige und einander ausschließende Beschreibungen, etwa Beobachter und Beobachtetes, Gehirnvorgänge und psychisches Geschehen oder die Kausalität der Gehirnvorgänge und das Gefühl des freien Willens. Drittens wird sie zu einer universalen Erkenntnishaltung und zu einem Programm für die Einheit des Wissens und der Wissenschaften. Bohrs Motto dafür lautet „contraria sunt complementa“ – Gegensätze ergänzen sich.

Zwischen der ersten und der zweiten Stufe besteht jedoch ein wichtiger Unterschied: Formal gleichartige, objektiv-experimentelle Anordnungen mit sich ausschließenden Beobachtungssätzen gibt es in der Psychologie und anderen Humanwissenschaften nicht in derselben Weise. Auch das Kriterium, dass Beobachtungen räumlich und zeitlich nicht zusammentreffen, bleibt fragwürdig. Viele von Bohrs außerphysikalischen Beispielen liefern daher eher eine Analogie, eine heuristische Orientierung oder ein Paradox als eine strenge Anwendung des quantenmechanischen Prinzips.

Anwendung in der Psychologie und Grenzen

In der Psychologie kann Komplementarität als Zuordnung zweier kategorial grundverschiedener und eigenständiger Bezugssysteme verstanden werden. Dies betrifft besonders das Leib-Seele-Problem sowie die subjektive und die neurophysiologische Sicht auf die Willensfreiheit. Erkenntnistheoretisch werden dabei zwei verschiedene Erkenntnis- oder Beschreibungssysteme zu einer ganzheitlichen Sicht verbunden. Ihre Allgemeinbegriffe bleiben eigenständig, wie bei Bewusstseinspsychologie und Neurophysiologie.

Methodisch ist jedes Bezugssystem in Bezug auf seine Gültigkeitskriterien sowie seine Verfahren der Bestätigung und Widerlegung operativ geschlossen. Die zugehörigen Methoden schließen sich häufig insofern aus, als sie nicht streng gleichzeitig, sondern nur abwechselnd eingesetzt werden können. Die Wirklichkeit gilt erst dann als angemessen dargestellt, wenn beide Beschreibungen verbunden werden, beispielsweise die subjektiven und die physiologischen Vorgänge einer psychophysischen Emotion. Das Prinzip löst den Gegensatz nicht, sondern vermittelt methodologisch zwischen den Zugängen. In einem konkreten Forschungsfall müsste daher ausdrücklich begründet werden, warum auf einen praktisch möglichen Zugang verzichtet wird.

Für Psychologie und Neuropsychologie bedeutet dies, introspektiv-bewusstseinspsychologische und biologisch-verhaltenswissenschaftliche Methoden gleichberechtigt zu nutzen: Selbstberichte und Selbstbeurteilungen sollen mit physiologischen Funktions- und Verhaltensmessungen verbunden werden. Voraussetzung ist, dass beide Zugänge tatsächlich denselben Prozess oder dasselbe Ereignis betreffen. Gerade dies ist bei psychischen Vorgängen empirisch und begrifflich schwer festzustellen, weil Aussagen verschiedener kategorialer Ebenen zugeordnet werden müssen. Aus kritischer Sicht kann deshalb der Begriff Perspektivität treffender sein: ein methodisch reflektierter Wechsel zwischen koordinierten Perspektiven.

Spätere Ansätze untersuchen allgemeiner Aussagesätze, die weder kompatibel noch inkompatibel sind, auch ohne direkten Bezug zu einer Versuchsanordnung. So wurde Komplementarität auf Biologie, Pädagogik, Sozial- und Kulturwissenschaften, Philosophie und Theologie übertragen. Diese Verallgemeinerungen sind umstritten: Häufig bleibt nur ein unscharfes „Sowohl-als-auch“ oder eine Metapher, während die strengen Bedingungen des quantenmechanischen Komplementaritätsprinzips fehlen.