Warum funktioniert ein Computer?

Die offene Frage nach den grundlagenwissenschaftlichen Voraussetzungen der Informationsverarbeitungstechnik

»Warum funktioniert ein Computer?« Diese Frage scheint aus dem Munde eines Kindes zu kommen und Papa kann sie selbstverständlich sofort beantworten. Kann er aber nicht. Tut er es dennoch, so ist seine Antwort jedenfalls nicht plausibel und belastbar. Das dürfte das Kind kaum bemerken und damit befindet es sich in bester Gesellschaft. Denn selbst der versammelten Wissenschaftsgemeinde scheint bisher noch nicht aufgefallen zu sein, dass es zwar eine Vielzahl von Methoden, Verfahren und Theorien gibt, die uns die technische Verwirklichung des Computers ermöglichen, die uns jedoch keine Angaben darüber machen, welche elementaren Grundvoraussetzungen in unserer Welt gegeben sind, die die Informationsverarbeitungstechnik überhaupt erst ermöglichen. Die Informatik befindet sich in einer vergleichbaren Lage wie ein mittelalterlicher Handwerker, der zwar besonders kunstvolle Ornamente schmieden kann, der aber von den physikalischen und werkstofftechnischen Voraussetzungen seiner Arbeit keine Ahnung hat. Selbst den Philosophen, die doch wenig Scheu vor abseitig erscheinenden Fragen haben, ist diese Situation bis jetzt noch verborgen geblieben. (Aber vielleicht ist die Computertechnik auch noch ein bisschen zu jung, um von der breiten Masse der Professoren für Philosophiegeschichte schon wahrgenommen zu werden.)

Warum also funktioniert ein Computer? Angeblich soll das Charakteristische an ihm sein, dass er etwas Bestimmtes verarbeitet. Ah ha! Ah ha? Dieses ominöse »Ding«, es wird Information genannt, können wir aber in diesem Artikel gänzlich beiseite lassen. Denn es bedeutet nur den Verweis auf eine vorgeschobene Erklärung, auf eine nichtssagende Pseudoantwort. Sie basiert auf einem Wort und auf einem Begriff, von dem wir allenfalls eine gewisse intuitive Vorstellung haben. Von dem aber derzeit niemand sagen kann, was wir damit eigentlich genau meinen. Dieses merkwürdige Etwas kann uns also ohnehin keine befriedigende Antwort liefern.

Ein zentrales Postulat unseres naturwissenschaftlichen Weltbildes ...

Um die eigentliche Relevanz unserer Fragestellung besser herausarbeiten zu können, müssen wir etwas weiter ausholen. Wir beginnen mit einer Aussage, der kaum jemand widersprechen dürfte: Unsere Handlungsspielräume und die für uns erreichbaren Ergebnisse werden durch die Eigenschaften und Elemente unserer Welt, durch das uns naturwissenschaftlich Gegebene gleichermaßen ermöglicht wie auch beschränkt. Oder um es weniger präzise, aber prägnanter zu formulieren: Wir können nichts tun oder erreichen, was uns nicht durch Naturgesetze möglich gemacht werden würde.

Ich denke, wir können uns darauf einigen, dass dieses Postulat eines der fundamentalsten Grundprinzipien unseres naturwissenschaftlichen Weltbildes überhaupt ist und es daher nicht ganz falsch sein kann, seine Argumentation darauf aufzubauen. Das wollen wir im Folgenden tun.

Das uns naturwissenschaftlich Gegebene, das sind etwa die Naturgesetze, der Aufbau unseres Sonnensystems, Energie, Materie, Kräfte, Naturkonstanten, eine endliche Zahl von chemischen Elementen, der Verlauf der Zeit, quantenphysikalische Phänomene, etc. pp. All die netten Fähigkeiten, die den Helden von Science-Fiction-Romanen zur Verfügung stehen, wie die Teleportation, Telekinese, überlichtschnelle Warp-Antriebe, Schutzschilde aus reiner Energie und dergleichen mehr, sind uns deshalb nicht möglich, weil sie eben nicht mit der Beschaffenheit und den Eigenarten dieser uns bekannten Naturelemente in Übereinstimmung zu bringen sind oder sie nicht mit ihrer Hilfe realisiert werden können. Jedenfalls soweit wir das bei unserem derzeitigen Erkenntnisstand sagen können.

... und seine Konsequenzen

Diese fehlende Übereinstimmung oder mangelnde Realisierbarkeit ist eines der zentralen Abgrenzungskriterien, die gegenüber den so genannten Pseudo- und Parawissenschaften vorgebracht werden. Deren Behauptungen sind vermeintlich oder tatsächlich mit dem bisherigen Wissensstand grundsätzlich unvereinbar und werden daher zumeist als Scharlatanerie abgetan. Und wenn die behaupteten Phänomene schon nicht dem derzeitigen wissenschaftlichen Erkenntnissen entsprechen, dann mögen ihre Propagandisten doch wenigstens die Bedingungen angeben, unter denen diese nachvollziehbar reproduziert werden können, unabhängig davon, ob dafür schon eine Erklärung gefunden kann oder nicht. So lautet jedenfalls die Grundhaltung vieler Naturwissenschaftler gegenüber Meinungen, die nicht zu den etablierten Positionen gehören. (So plausibel dieser Standpunkt klingt, wir wollen aber auch nicht vergessen, dass er in der Vergangenheit immer wieder zu einer unangemessenen Selbstsicherheit geführt hat. Eine Selbstsicherheit, mit der exotische Meinungen immer wieder mit leichter Hand abgelehnt wurden und die sich im historischen Rückblick nicht selten als eine peinliche Engstirnigkeit erweisen sollte. Das soll hier jedoch nicht das Thema sein.)

Wichtig an dieser Argumention ist der Gesetzescharakter, auf den unbedingt gepocht wird. Bestimmte Handlungen und Vorgänge so und so ausgeführt bringen uns das und das Ergebnis, diesen oder jenen Nutzen. Unabhängig davon, ob der Zusammenhang zwischen der Handlung und ihrem Ergebnis überhaupt schon wissenschaftlich erklärt werden kann, so ist die Reproduzierbarkeit eines bestimmten Phänomens auf jeden Fall ein guter Grund, nach dessen naturwissenschaftlicher Erklärung zu suchen. Denn die Welt muss eine angebbare Eigenschaft haben, die uns eben gerade diesen Effekt ermöglicht.

Dieses ist nun wichtig genug, um wiederholt zu werden: Die Reproduzierbarkeit eines mit den bisherigen Theorien unerklärbaren Phänomens ist auf jeden Fall ein guter Grund, nach seiner naturwissenschaftlichen Erklärung zu suchen. In den klassischen Naturwissenschaften, allen voran in der Physik, ist dieses Prinzip eine Selbstverständlichkeit. Mitunter werden sogar systematisch kleinste Anomalien gesucht, die nicht schon durch bereits bekannte Theorien abgedeckt werden. Denn die Wissenschaftsgeschichte zeigt, dass gerade dort die revolutionärsten wissenschaftlichen Neuerungen zu erwarten sind, wo die bisherigen Theorien keine Erklärungen mehr liefern können. Bemerkenswerterweise wird dieses Prinzip auf dem Gebiet der Computer- und Informationstechnik nicht mit derselben Konsequenz angewendet. Oder aber man gibt sich vorschnell mit Erklärungen zufrieden, die doch nicht tragfähig sind. Die deshalb nicht tragfähig sind, weil sie sich bei genauerer Analyse nicht als eine brauchbare naturwissenschaftlichen Erklärung erweisen. Und zwar deshalb nicht, weil sie uns keine Aussage über die Eigenschaft oder Beschaffenheit dieser Welt machen. Sie fügen dem naturwissenschaftlich gegebenen »Inventar« nichts hinzu, kein Gesetz, kein allgemeines Prinzip, kein grundlegendes Naturmodell oder dergleichen mehr. Mit einem Wort: sie machen keine Aussage über die Welt als solche. Vielmehr erweisen sie sich, wie im Fall der Logik, als eine Konstruktionsmethode, als ein mathematisches Kalkül zu Berechnung von technischen Konstruktionen. Mehr dazu mehr im Artikel »Vom Logikgatter zum Datenbankmodell«.

Es geht also darum, die Computertechnik ebenso konsequent, wie dies bei allen anderen technischen Objekten geschieht, als die Nutzbarmachung von Naturgegebenheiten anzusehen. Es gilt, diese Naturgegebenheiten anzugeben und sie, ebenso, wie dies vor allem in der Physik immer wieder erfolgreich gelungen ist, auf möglichst wenige und einfache Grundprinzipien zurückzuführen. Eine besondere Problematik besteht darin, dass die Relevanz dieser Fragestellung bis jetzt weitgehend unerkannt geblieben ist. Man hängt nach wie vor einer Naturordnung und einem naturwissenschaftlichen Weltbild an, das aus dem 19. Jahrhundert stammt und das in der Physik die fundamentalste aller Naturwissenschaften zu erkennen meint. Man übersieht aber dabei, dass die Physik uns zum Beispiel nicht erklären kann, warum wir so etwas wie Naturwissenschaft überhaupt betreiben können und warum wir beispielsweise Computer für die Simulation von physikalischen Prozessen einsetzen können. Dass uns das aber offensichtlich möglich ist, ist eben auch ein empirisches Faktum, das es zu erklären gilt und für das es bisher keine zufriedenstellende Erklärung im Rahmen einer grundsätzlichen, klaren, belastbaren und strukturell einfachen Begründung gibt. Eine Begründung, die uns etwas über die Beschaffenheit unserer Welt aussagt und daher als eine naturwissenschaftliche Theorie angesehen werden kann. Und spätestens seit dem Aufstieg der Computertechnik sollte uns ein Naturphänomen sichtbar geworden sein, das uns zwar offensichtlich positiv gegeben ist – seine Manifestation und Nutzbarmachung steht mittlerweile in jedem Büro –, das aber dennoch nicht auf bestimmte physikalische Phänomene zurückführbar ist. Denn das rein physikalische Fundament eines Computers ist in weiten Bereichen beliebig austauschbar. Jedenfalls prinzipiell beliebig austauschbar und natürlich nur unter Missachtung von ökonomischen Kriterien, die wir hier ja nicht zu berücksichtigen brauchen.

Die Einheit der Naturwissenschaften

Man kann die ganze Angelegenheit auch von einer anderen Seite aus beleuchten. Und zwar in Bezug auf die Einheitlichkeit der Wissenschaft oder doch wenigstens der Naturwissenschaften. Denn es ist ein wesentliches Merkmal unseres naturwissenschaftlichen Weltbildes, dass die Gesamtheit aller Wissenschaften nicht aus einem bunten Konglomerat aus zusammenhanglosen Einzeldisziplinen bestehen darf, sondern letztendlich ein ganzes und kohärentes System einer allumfassenden Weltbeschreibung liefern soll. So lautet jedenfalls das implizit und explizit erklärte Fernziel aller wissenschaftlichen Bemühungen. Diese Grundüberzeugung ist am deutlichsten von Seiten des Logischen Empirismus (Wiener Kreis) in der Vorstellung von der so genannten »Einheitswissenschaft« formuliert worden. Die Idee, die dahinter steht, ist einfach nachzuvollziehen und folgt unmittelbar aus einer positivistischen und objektivistischen Sichtweise auf die Welt und auf die Wissenschaft: Wir sehen uns einer einzigen objektiv gegebenen Welt gegenübergestellt, für die es nur eine einzige korrekte Beschreibung geben kann, eine Beschreibung, die also in sich schlüssig, einheitlich und vollständig sein muss.

Die Computer- und Informationstechnik jedoch steht bemerkenswerterweise außerhalb dieses einheitswissenschaftlichen Rahmens. Wir haben uns mit dem Computer einen in der bisherigen Menschheitsgeschichte wenig bemerkbaren Phänomenbereich technisch erschlossen. Wir haben mit ihm eine qualitativ völlig neuartige Technik erschaffen - neuartig im Sinne etwa eines »überlichtschnellen Warp-Antriebs« –, wir nutzen also eine Qualität der Natur, die mit den bisherigen Mitteln nicht erklärbar ist –, aber kaum jemand stellt die naturwissenschaftliche Frage, warum uns das eigentlich möglich war und möglich ist.

Aber was ist mit den vielen Theorien der Informatik? Die sagen uns doch, warum ein Computer funktioniert - oder nicht?! Sicherlich hat die Informatik sehr viel theoretisches Rüstzeug anzubieten. Und es gibt weite Bereiche, etwa das Feld der Algorithmen, in denen kann sich der Entwicklungsingenieur wirklich nicht über mangelnde Unterstützung beklagen. Aber das alles sind keine fundamentalen Erklärungen und Begründungen, sondern nur technische Methoden. Sie sagen letztlich alle: Wenn Du dieses oder jenes erreichen willst, dann mache es auf diese oder jene Weise. Nehme diese Formel und berechne es so und so. Es sind Regelsysteme und Verfahren, mathematische System und Logikkalküle, die von der Informatik zur Verfügung gestellt werden und die mehr oder weniger sinnvoll angewendet werden können. Sie funktionieren deshalb, weil sie zu sinnvollen technischen Lösungen führen - vergleichbar mit der Erfindung des Ottomotors -, aber nicht deshalb, weil sie uns etwas über die Beschaffenheit unserer Welt aussagen. In dem Artikel »Begründungsmythos Logik« mache ich meine Behauptung am Beispiel der so genannten »Logik« plausibel. Dort zeige ich auf, dass selbst die Logik - und niemand wird behaupten, dass die Computertechnik (derzeit) etwas Grundlegenderes aufweisen hat - nur eine Methode ist, aber keine Eigenschaften dieser Welt angibt. (Aristoteles hat letzteres noch geglaubt und offensichtlich glauben gerade auch viele Wissenschaftler noch, die Logik würde irgendwelche unumstößlichen ontologischen Aussagen machen und könne daher schon per se zur Begründung eines Phänomens dienen.)

Aber die Informatik weist auch noch eine ganz essenzielle Lücke auf und die betrifft das Fundament ihrer Technik und ihrer Disziplin. Dort wo auf grundlegende, einfache Fragen auch grundlegende, im Prinzip einfache Antworten gegeben werden müssten. Aber diese Fragen werden bislang noch nicht einmal gestellt — wie schon oft betont von wenigen Ausnahmefällen abgesehen.

Was es bedeutet, wenn ein dauerhaft ungeklärtes, aber dennoch nicht von der Hand zu weisendes Naturphänomen erst einmal erkannt worden ist, kann an der Diskussion rund um die Quantenmechanik ersehen werden. Jeder, der sich auch nur ein wenig für Naturwissenschaft interessiert, kommt unweigerlich mit diesem Thema in Berührung und wird von ihm in den Bann gezogen. Die Zahl der Bücher und Artikel zur Quantenphysik, in denen immer wieder dieselben Fragen gestellt und erörtert werden, ist ja schon legendär.

Wir können nun also die Fragen „Was ist Information?“ und „Was ist ein Computer?“ in die naturwissenschaftlich motivierte Form bringen: „Welche grundlegende Eigenschaft dieser Welt ermöglicht es uns, erfolgreich Computer zu bauen und zu betreiben?“. Mit dieser Formulierung vermeiden wir jedenfalls, eine zur Zeit unbestimmbare Entität namens „Information“ aufzurufen und wir vermeiden es, nach dem „Wesen“, dem „Eigentlichen“ oder der „Essenz“ des Computers zu fragen; Begriffe, deren metaphysischer Anklang womöglich nur unnötige Abwehr provozieren könnte. Und die Frage ist in dieser Form eine erfreulich positivistische Frage, die nur nach der Begründung von etwas fragt, das offensichtlich gegeben ist und die damit so weit wie möglich ergebnisoffen ist und bleibt.

Carl Adam Petri

Am Ende dieses Artikels möchte ich noch kurz auf Carl Adam Petri hinweisen, der mit seinen Petri-Netzen einen wesentlichen Beitrag zur Weiterentwicklung der Informatik beigetragen hat. Vor allem ist es ihm damit gelungen, ein praxistaugliches Planungs- und Modellierungsinstrument für den Entwicklungsingenieur zu schaffen. Ich glaube, dass es nicht zuletzt sein Ansatz war, der ihn zu diesem Erfolg gebracht hat und den Heide Schelhowe wie folgt beschreibt: „Petri versuchte, sein theoretisches Grundkonzept in der Physikalität der Informationsmaschine zu verankern und war auf der Suche nach den Naturgesetzen des Informationsflusses. So hoffte er, die Informatik als eine Art Naturwissenschaft begründen zu können.“ – [Hellige Geschichten] S. 336