Seite 5: Begriffe sind nicht Schall und Rauch

Es ist wichtig, Sensitivität und Spezifität begrifflich sauber zu trennen. Unzicker erwähnt die Begriffe erst gar nicht. Ganz abgesehen davon, sind ihre Werte meist höchst unterschiedlich. Dies gilt in der Epidemiologie genau so, wie in der Physik. Hat man nur einen einzigen Test, so sollte die Spezifität hoch sein, falls die Prävalenz sehr klein ist, sonst gibt es zu viele falsch-positive Ergebnisse. Ansonsten entsteht, ganz ohne wissenschaftstheoretischen Beistand, das oben von Unzicker konstruierte Problem.

Beim Screening wird zunächst ein schneller, einfach durchzuführender und relativ preiswerter Test verwendet, um eine Vorauswahl zu treffen. Die positiv getesteten Personen sollten anschließend aufwändigeren Untersuchungen unterzogen werden. Wissenschaftstheoretische Probleme entstehen erst gar nicht. Unsichere Kenntnisse von Prävalenzen sind übrigens ein häufiges Problem in der Epidemiologie, vor allem, wenn neue Krankheiten auftauchen. Die Epidemiologen wissen, wie in solchen Situationen vorzugehen ist.

Nun zur Elementarteilchenphysik. Wenn ein neues Teilchen wie das Higgs gesucht wird, geht es erst einmal darum, seine Existenz überhaupt nachzuweisen. Zerfällt es auf verschiedene Arten, wird zunächst auf die Möglichkeiten fokussiert, die möglichst zuverlässig herausgefiltert werden können. Es ist nicht wichtig, alle erzeugten Higgs zu finden. Viel wichtiger ist, dass die Ereignisse, die für einen bestimmten Higgs-Zerfall sprechen können, ein statistisch signifikantes Signal zu ergeben (s. Figure 3).

Es geht aber nicht darum, die Spezifität zu maximieren: Die weitaus meisten bei etwa 125 GeV gemessenen Zwei-Photon-Ereignisse wären, einzeln betrachtet, falsch-positive Ereignisse. Die Higgs-Zerfälle machen sich jedoch durch eine Häufung bei 125 GeV bemerkbar, was immer genauer bestimmbar wird, je mehr Ereignisse gemessen werden. Die Situation ist somit eine ganz andere als in dem epidemiologischen Beispiel. Für das Higgs sieht das konkret wie folgt aus. Bis September hat es in der bisherigen Laufzeit des LHC ungefähr 10¹⁵ Kollisionen gegeben, für die die Entstehung von etwa 200.000 Higgs erwartet wurde. Das entspricht eine superwinzige "Prävelenz" von 2*10^-10. Nur 0,2 % davon sollten in zwei Photonen und 0,013% in zwei Z-Bosonen zerfallen.16 Deshalb hatte es Monate gedauert, um ausreichende Datenmengen für die statistische Auswertung zur Verfügung zu haben.

Doch halt, Unzicker wollte mit seinem Beispiel doch eigentlich einen Aspekt von "Metastatistik" illustrieren, nämlich was Teilchenmessungen über die Gültigkeit eines komplexen Standardmodells aussagen können. Das Beispiel zerschellt aus mehreren Gründen. Es vermischt zwei verschiedene Arten von Wahrscheinlichkeiten. Die Wahrscheinlichkeiten, die bei Teilchenentdeckungen interessieren, werden, wie erläutert, als statistischen Unsicherheiten angegeben ("sechs Sigma"). Je mehr Ereignisse registriert werden, desto genauer das Signal, desto höher ist also die Wahrscheinlichkeit für eine wirkliche Entdeckung.

Sensitivität und Spezifität aus dem Unzicker-Beispiel sind jedoch vom Bayes-Typ, also a-priori-Annahmen über die Testgenauigkeit. Diese entsprechen demnach Wahrscheinlichkeitswerten, die sich nicht verändern, selbst wenn Millionen Tests durchgeführt werden. Anders ausgedrückt können selbst dann, wenn das Standardmodell komplett falsch sein sollte, neue Teilchen sicher nachgewiesen werden. Ein komplett falsches Standardmodell bedeutete somit nicht, alle bisher gefundenen Teilchen wären auf einmal als falsch-positive Messfehler entlarvt. Der umfangreiche Teilchenzoo bliebe uns auf alle Fälle erhalten.

Unzickers Beispiel ist nicht nur ärgerlich, weil es nichts mit der Physik am CERN zu tun hat. Es trägt zudem das zerstörerische Potential für Kollateralschäden in sich. Im wirklichen Leben stehen Patienten nämlich tatsächlich oft vor dem Problem, mit drastischen Testergebnissen fertig werden zu müssen. Die panische Angst vor möglichem Brustkrebs, beispielsweise, kann dazu führen, sich für eine Amputation zu entscheiden, obwohl die Wahrscheinlichkeit, trotz eines positiven Tests wirklich erkrankt zu sein, ähnlich niedrig sein kann, wie in dem Beispiel. Daher sollten solche übersimplifizierten Beispiele immer dann, wenn wirklich von Wissenschaft die Rede ist, grundsätzlich vermieden werden. Denn sie finden, versehen mit dem Nimbus des physikalischen Experten, allzu leicht ihren Weg in andere Bereiche als wichtige Beispiele.

The trouble with "Big Science"

Alexander Unzicker missfällt "Big Science", die mit der Beschleunigerphysik nach dem Zweiten Weltkrieg in der Elementarteilchenphysik Einzug hielt. Er stellt durchaus sinnvolle Fragen, etwa die, wie die Reproduzierbarkeit von experimentellen Befunden denn überhaupt möglich sein kann, wenn es infolge der notwendigen immensen Mittel weltweit manchmal nur einzelne Experimente gibt, die bestimmte Messungen durchführen. Auch sinniert er, ob publizierte Ergebnisse überhaupt kritisch hinterfragt werden können, weil experimentelle Rohdaten und Detektorkalibrierungen normalerweise nicht veröffentlicht werden. Das Peer-Review-Gutachterwesen für Publikationen sieht er kritisch, da es passieren kann, dass ausgefallene Sichtweisen Schwierigkeiten haben könnten, veröffentlicht zu werden.

All diese Fragen sind wichtig und richtig. Allerdings rennt er doch nur offene Türen ein, denn sie werden in der Physik und anderen Wissenschaften längst gestellt, was beispielsweise zu massiver Kritik an den Praktiken von Elsevier geführt hat, einem führenden Verlag für namhafte wissenschaftliche Zeitschriften (Elsevier-Skandal weitet sich aus, Mobilmachung gegen Elsevier?). Die Hochenergiephysik ist traditionell sogar ein Vorreiter darin, Informationen der Allgemeinheit zugänglich zu machen und innovative, elektronische Publikationsformen zu entwickeln. Mit der "Study Group on Data Preservation and Long Term Analysis in High Energy Physics" (DPHEP) gibt es auch schon eine Physikerinitiative, die sich mit Fragen langfristiger Verfügbarkeit und Transparenz von Daten beschäftigt.

Fazit

Die Grundlagenforschung der modernen Physik interessiert und fasziniert ein großes Publikum. Forschung an der Spitze produziert jedoch immer mindestens so viele Fragen, wie Antworten. Es gibt heftige Konkurrenz zwischen den beteiligten Forschern, unterschiedliche Lösungsansätze, Hypothesen und Prioritäten. Ganz zu schweigen von den individuellen Temperamenten der Forscher und Gruppendynamiken in den verschiedenen Forschungsfeldern.

All dies ist spannend und lohnenswert, unterhaltsam geschildert und erklärt zu werden, durchaus mit Humor und manchmal auch Ironie, denn das Leben im Elfenbeinturm hat zuweilen seine komischen Aspekte. Es sei auch niemand daran gehindert, etablierte Kerntheorien wie die Relativitätstheorie oder Entwicklungen in der Theorienbildung grundsätzlich abzulehnen oder zu kritisieren. Allerdings ist die positive Resonanz auf solch eine Fundamentalkritik, die, wie hier exemplarisch belegt, oft nicht haltbar ist, ein Indiz für die schon stark fortgeschrittene Entfremdung zwischen großen Teilen der Bevölkerung und dem Wissenschaftsbetrieb. Es ist daher besonders wichtig, schon frühzeitig, also in der Schule, die kulturellen Aspekte des Schaffens von Wissen in den Naturwissenschaften und der Mathematik zu vermitteln. In der Schulpraxis jedoch sind insbesondere die Physik und die Mathematik zu Fächern abgewickelt worden, die rein aus praktischen Erwägungen (Goethe ist was für Versager), Nützlichkeiten für das das tägliche Leben vermittelnd, im Lehrplan verbleiben. Die Sehnsucht nach grundlegendem Weltverständnis ist aber weiterhin vorhanden und wird nun mit "Durchknall und Holzweg"-Büchern gestillt. Das ist fatal.