11.02.2017, 13:14
Quantentheorie
Quantentheorie w [von latein. quantum = wieviel], E quantum theory, theoretische Beschreibung und Erklärung mikrophysikalischer Erscheinungen, die durch Größen wie Energie, Ladung, Spin, Impuls usw. gekennzeichnet sind, welche in der klassischen Physik keine Entsprechung haben oder im Gegensatz zu ihr quantisiert sind, d.h. nicht kontinuierlich beliebige Werte annehmen können, sondern jeweils nur bestimmte diskrete Vielfache eines bestimmten Wertes. In den letzten Jahren sind zahlreiche hochspekulative Hypothesen und Diskussionen über den Zusammenhang der zunächst scheinbar so weit entfernten Themen Quantentheorie auf der einen und Gehirn und Bewußtsein auf der anderen Seite entstanden (Geist und Gehirn, Leib-Seele-Problem). - Die Quantentheorie ist zusammen mit der Allgemeinen Relativitätstheorie die experimentell am besten bestätigte physikalische Theorie überhaupt. Trotzdem hat z.B. Richard Feynman behauptet, daß, abgesehen von den praktischen Anwendungen, "niemand die Quantentheorie versteht" ( siehe Zusatzinfo 1 ). Zu paradox und bizarr sind ihre Resultate, Voraussagen und Interpretationen: Eine Zwitterexistenz von Wellen und Teilchen; anscheinend mit sich selbst wechselwirkende oder interferierende Partikel; die Unschärfe bestimmter Größen wie Impuls (Masse mal Geschwindigkeit) und Ort oder wie Energie und Zeit; räumlich und zeitlich "verschmierte" Zustände; umkehrbare Messungen; "spukhafte Fernwirkungen" (Albert Einstein) zwischen sogenannten verschränkten Quantensystemen; Teleportation von Zuständen eines Photons oder Atoms auf ein anderes ohne Zeitverlust; scheinbar überlichtschnelle Signale; nicht verursachte Zufälle (spontane Energiesprünge, Tunneleffekte beim radioaktiven Zerfall, Materie-Antimaterie-Paarerzeugung); und das sogenannte Meßproblem, das mit dem "Kollaps" der Wellenfunktion zusammenhängt (Reduktion des Zustandsvektors): Die Schrödinger-Gleichung (Psi- oder Wellenfunktion) beschreibt den Zustand oder die Entwicklung eines Quantensystems als statistische Überlagerung von Zuständen. Welcher davon zu einem bestimmten Zeitpunkt real ist, kann nicht exakt vorausgesagt, sondern nur durch eine Messung experimentell bestimmt werden (Kollaps der Wellenfunktion, dessen physikalische Bedeutung aber umstritten ist). Doch wo fängt eine Messung an, wo hört sie auf? Sind Meßapparate, einschließlich der menschlichen Gehirne, nicht auch physikalische Objekte, die den Gesetzen der Quantentheorie gehorchen? Wie vollzieht sich der Übergang von der Makro- in die Mikrowelt bzw. der klassischen Physik in die Quantenphysik (experimentell erweist sich die Grenze als immer mehr verschiebbar)? Was ist die Bedeutung der Zustandswellenfunktion, worin besteht der Status eines Beobachters, was ist überhaupt wirklich? - Diese unbefriedigende Situation hat schon Erwin Schrödinger gesehen und 1935 mit einem Gedankenexperiment zu illustrieren versucht: "Man kann auch ganz burleske Fälle konstruieren. Eine Katze wird in eine Stahlkammer gesperrt, zusammen mit folgender Höllenmaschine (die man gegen den direkten Zugriff der Katze sichern muß): In einem Geigerschen Zählrohr befindet sich eine winzige Menge radioaktiver Substanz, so wenig, daß im Lauf einer Stunde vielleicht eines von den Atomen zerfällt, ebenso wahrscheinlich aber auch keines; geschieht es, so spricht das Zählrohr an und betätigt über ein Relais ein Hämmerchen, das ein Kölbchen mit Blausäure zertrümmert. Hat man dieses ganze System eine Stunde lang sich selbst überlassen, so wird man sich sagen, daß die Katze noch lebt, wenn inzwischen kein Atom zerfallen ist. Der erste Atomzerfall würde sie vergiftet haben. Die Psi-Funktion des ganzen Systems würde das so zum Ausdruck bringen, daß in ihr die lebende und die tote Katze zu gleichen Teilen gemischt oder verschmiert sind." - Diese Parabel war als Beispiel gedacht, wie die Quantentheorie in anderen Bereichen mißbraucht werden kann, und wie unangemessen eine Übertragung mikrophysikalischer Phänomene (beispielsweise der verschmierten Zwitterzustände, d.h. der Überlagerung oder Superposition) auf makroskopische Objekte der Alltagswelt (etwa Katzen) ist. Aber viele Physiker und Philosophen haben Schrödingers Katze ernst und wörtlich genommen. Doch macht es wirklich Sinn anzunehmen, daß die Katze in der Kiste zugleich tot und lebendig ist oder eben keines von beidem, solange sie niemand beobachtet? Oder sorgt die Beobachtung sogar erst für einen eindeutigen Katzenzustand? Diese radikale Auffassung hat tatsächlich ihre Anhänger und führt geradewegs zu einem philosophischen Idealismus: "Sein ist Wahrgenommenwerden" (George Berkeley). Beträchtliche Schwierigkeiten liegen allerdings auf der Hand: Woher kommt der Beobachter? Wieso kann er die Welt nicht einfach so sehen, wie er will; wieso ist sie oftmals so unerquicklich? Geht der verschmierte Zustand von Schrödingers Katze nicht auf den Beobachter über? Angenommen, ein Mann öffnet die Kammer und schaut nach der Katze. Vor der Tür warten Journalisten, um vom Schicksal des Tieres zu erfahren. Müßte der Mann, solange er ihnen nichts berichtet hat, für sie nun nicht seinerseits in einem Überlagerungszustand befinden zwischen jemand, der eine tote Katze in der Kiste erblickt hat, und einem, dem sie quietschlebendig in die Arme sprang? Andererseits: Könnte sich die Katze, die doch wohl auch ein Bewußtsein hat, nicht selbst beobachten und dadurch am Leben halten? Es ist auch fraglich, ob die Schrödinger-Gleichung auf Katzen überhaupt anwendbar ist, da sie Energie verbrauchen, also kein geschlossenes System sind. Und: Könnte ein Beobachter den Todeszeitpunkt der Katze nicht nachträglich feststellen, z.B. durch die Messung des Sauerstoffverbrauchs in der Kiste? Außerdem sind die Quanteneffekte bei makroskopischen Objekten viel zu gering. Die prinzipielle Meßungenauigkeit eines Tennisballs beträgt aufgrund der Heisenbergschen Unschärferelation beispielsweise nur 1:10-16, die von Nervenimpulsen 1:10-9. Mit anderen Worten: Quanteneffekte dürften das Gehirn eigentlich nicht stärker beeinflussen als ein Stampfen auf den Boden die Bahn der Erde. Hinzu kommt, daß Quantenzustände wie z.B. der radioaktive Zerfall normalerweise nicht verstärkt werden können, ohne die Superposition zu zerstören. Durch eine Wechselwirkung mit der Umgebung wird der ursprünglich reine Zustand des Quantensystems in einen gemischten Zustand überführt, der durch einen Zustandsvektor der Psi-Funktion nicht mehr beschrieben werden kann; es entwickelt sich in extrem kurzer Zeit ein verschränkter Zustand zwischen Quantensystem und Umgebung, so daß Interferenzen zwischen verschiedenen Makrozuständen unbeobachtbar werden (sie verschwinden lokal, gehen aber gleichsam auf das Gesamtsystem über). Aufgrund dieser Dekohärenz erscheint Schrödingers Katze daher immer entweder tot oder lebendig. - Diese nach wie vor anhaltende Unklarheit der naturphilosophischen Interpretation der Quantenphysik ( siehe Zusatzinfo 2 ) ist der Hintergrund, vor dem auch Versuche gesehen werden müssen, neuronale Prozesse und Bewußtsein mit quantenphysikalischen Vorgängen in Verbindung zu bringen oder gar zu erklären ( siehe Zusatzinfo 3 ). Schon Max Planck hat, da die Quantenmechanik dem Determinismus der klassischen Physik zu widersprechen scheint, eine neue Möglichkeit für die menschliche Willensfreiheit gesehen, allerdings nur im epistemischen Sinn: Die Zukunft ist offen, d.h. nicht exakt vorherbestimmt und voraussagbar. Pascual Jordan ging noch einen Schritt weiter und sah in den indeterministischen Quantenprozessen "Schlupflöcher" im Kausalgefüge der Physik, durch die mentale Prozesse in die Natur eingreifen können. Ähnlich argumentierte John C. Eccles. Er glaubte nicht an einen rein neuronalen Ursprung des menschlichen Geistes, sondern betrachtete diesen als göttliche Schöpfung und eigenständige, von der physikalischen Welt unabhängige Existenzform. Doch wie kann dieser vermeintlich freie Geist in die Materie eingreifen? Eccles formulierte hierzu gemeinsam mit Friedrich Beck eine kühne Hypothese: Es sind Quanteneffekte, die der Geist in Bewegung bringt oder zumindest ausnützt ( siehe Zusatzinfo 4 ). Eccles zufolge geschieht das an den Synapsen, den Verbindungsstellen zwischen den Nervenzellen. Das Bewußtsein soll über Quantensprünge Neurotransmitter freisetzen, die die nachgeschaltete Zelle aktivieren oder hemmen könnten. Beck hat dies durch ein biophysikalisches Modell noch ergänzt, das den Elektronentransport in den Synapsen berücksichtigt. Die Probleme für Eccles' neuronale Quantentheorie des Bewußtseins sind aber gewaltig ( siehe Zusatzinfo 5). Trotzdem ist sie nicht von vornherein unsinnig. In gewisser Hinsicht läßt sich die Frage nach der Einwirkung eines nichtphysischen Bewußtseins auf Quantenprozesse sogar experimentell untersuchen: Mit Hilfe eines Apparats, bei dem zwei Zeiger radioaktive Zerfälle registrieren, kann ein Beobachter versuchen, einem anderen eine Botschaft zu übermitteln, indem er den Zeiger seines eigenen Meßgeräts entweder ansieht oder nicht. Überzeugende Hinweise auf einen solchen Informationstransfer haben die bisherigen Experimente jedoch nicht gefunden. - Einen anderen Betrachtungswinkel hat der Ansatz von Matthew J. Donald. Hier greift das Bewußtsein nicht in die Welt ein, sondern ist gleichsam ein Epiphänomen. Auch kollabiert die Wellenfunktion nicht, sondern alle Alternativen realisieren sich in verschiedenen Bewußtseinszuständen. In dieser Viele-Bewußtseine-Interpretation (E many minds interpretation) basieren die verschiedenen Übergänge auf quantenphysikalischen Schaltern. Als neuronales Korrelat sieht Donald Ionenkanäle in Nervenzellmembranen an, die entweder offen oder geschlossen sind. Freilich ist unklar, weshalb solche einzelnen Umschaltungen schon Bewußtsein erzeugen oder verändern können, wieso nicht auch andere Moleküle mit Konformationsänderungen (z.B. Rhodopsin) in Betracht kommen und weshalb die Entwicklung eines Quantensystems überhaupt etwas mit mentalen Prozessen zu tun hat. - Auch Roger Penrose arbeitet an einer Quantentheorie des Bewußtseins. Er ist davon überzeugt, daß Denken auf nichtberechenbaren und im Computer prinzipiell nicht simulierbaren Prozessen beruht, für deren Beschreibung die gegenwärtige Physik noch gar nicht ausreicht. Penrose verbindet das Mysterium des menschlichen Geistes mit dem großen Ziel der theoretischen Physik: einer Vereinheitlichung von Quantentheorie und Allgemeiner Relativitätstheorie. Diese Theorie der Quantengravitation, so hofft Penrose, wird gleich drei Fliegen mit einer Klappe schlagen: das Rätsel des Urknalls, das Meßproblem in der Quantenphysik und das Geheimnis des Bewußtseins. "Ich meine nicht nur, daß wir eine neue Physik brauchen, sondern daß diese neue Physik auch für die Vorgänge im Gehirn von Relevanz sein muß." Für Kritiker sind Quantentheorien des Bewußtseins dagegen nicht nur ein unzulässiger physikalischer Reduktionismus, weil mentale Vorgänge auf anderen Beschreibungsebenen zu erklären seien, sondern auch bloßes Wunschdenken. Inzwischen vermutet Penrose mit Stuart Hameroff, daß Mikrotubuli den Geist hervorzaubern. Penrose und Hameroff meinen, daß sie sich, ähnlich wie Schrödingers zugleich tote und lebende Katze, häufig in kohärenten Überlagerungszuständen befinden. Diese sollen nach den mutmaßlichen Gesetzen der Quantengravitation im Sekundentakt von selbst zu einem eindeutigen Zustand kollabieren und dabei den Strom von Bewußtseinsmomenten erzeugen. Wie das im einzelnen geschehen soll, versteht allerdings niemand. Außerdem ist es extrem unwahrscheinlich oder sogar ein Widerspruch, daß die Quanteneffekte einerseits lang genug von der Umgebung abgeschirmt bleiben, sich andererseits aber wohlgeordnet über das ganze Gehirn ausbreiten können. Auch physiologische Daten sprechen gegen eine Beteiligung der Mikrotubuli an Bewußtseinsvorgängen, zumal diese in jeder Eukaryotenzelle vorkommen, also nicht nur in Neuronen. - "Fünfzig Jahre angestrengten Nachdenkens haben mich der Antwort auf die Frage 'Was sind Lichtquanten?' nicht näher gebracht. Heute bilden sich Hinz und Kunz ein, es zu wissen. Aber da täuschen sie sich", schrieb Albert Einstein 1951 in einem Brief. Er war bis zu seinem Tod skeptisch gegen die Umwälzungen der Quantenphysik eingestellt. Sicherlich hätte ihn amüsiert, daß Quanteneffekte jetzt, 50 Jahre später, sogar in den Köpfen der Bewußtseinsforscher herumspuken. Ob das wörtlich oder aber polemisch zu verstehen ist, muß gegenwärtig offen bleiben. Auch unkonventionelle Wege können bekanntlich zu völlig neuen Erkenntnissen führen. Und Joseph Joubert wußte schon vor 200 Jahren: "Es ist besser, eine Frage zu diskutieren, ohne sie zu entscheiden, als eine Frage zu entscheiden, ohne sie zu diskutieren."
R.V.
Lit.: Baumann, K., Sexl, R.U.: Die Deutungen der Quantentheorie. Braunschweig, Wiesbaden 1987. Davies, P.C.W., Brown, J.: Der Geist im Atom. Frankfurt am Main 1993. d'Espagnat, B.: Veiled Reality. Reading 1995. Donald, M.J.: Quantum Theory and the Brain. Proceedings of the Royal Society, London A 427 (1990), S. 43-93. Eccles, J.C.: Wie das Selbst sein Gehirn steuert. München, Zürich 1996. Ghose, P.: Testing Quantum Mechanics on New Ground. Cambridge 1999. Giulini, D. u.a.: Decoherence and the Appearance of a Classical World in Quantum Theory. Heidelberg 1996. Gribbin, J.: Schrödingers Kätzchen und die Suche nach der Wirklichkeit. Frankfurt am Main 1996. Herbert, N.: Quantum Reality. New York 1985. Lockwood, M.: Mind, Brain and the Quantum. Oxford 1989. Penrose, R.:Das Große, das Kleine und der menschliche Geist. Heidelberg, Berlin 1998. Selleri, F.: Die Debatte um die Quantentheorie. Braunschweig, Wiesbaden 1984. Vaas, R.:Quantenspuk. bild der wissenschaft 9 (2000), S. 70-75. Wechsler, D.: Die Quantenphilosophie des Bewußtseins. Neuried 1999. Wheeler, J.A., Zureck, W.H. (Hrsg.): Quantum Theory and Measurement. Princeton 1983. Wick, D.: The Infamous Boundary. Boston 1995.
Quantentheorie 1
rätselhafte Quantenwelt:
Zwar ist der Status des Beobachters in der Quantentheorie und die Frage, ob und wie Materie bewußtes Erleben hervorbringt, noch immer ein Gegenstand kontroverser Diskussionen. Doch haben Experimente inzwischen eindeutig bestätigt, daß die Bedingungen der Lokalität und Separabilität in der klassischen Physik keine Entsprechung in der Quantentheorie haben. Stattdessen herrschen dort verschränkte Zustände (EPR-Korrelationen) zwischen Quantensystemen, die sich vielleicht sogar bald nutzen lassen: Zur Verschlüsselung von Botschaften (Quantenkryptographie) und zur Berechnung anderweitig nicht oder nur mit riesigem Aufwand lösbarer Probleme (Quantencomputer). Trotz des großen Erfolgs der Quantentheorie "für alle praktischen Zwecke" sind ihre philosophischen Konsequenzen alarmierend und noch lange nicht ausgelotet. Ihr Indeterminismus stellt die Kausalität in Frage, und der Formalismus der Wellenfunktion generell eine objektive Naturbeschreibung. Hier macht es keinen Sinn mehr, von identifizierbaren individuellen Teilchen zu sprechen, denn es existiert keine wohlbestimmte raumzeitliche Bahn (wegen der Unschärferelation) und keine Unterscheidbarkeit aufgrund des Teilchenzustands (wegen der Permutations-Invarianz im Formalismus), d.h. nur noch Abzählbarkeit, keine Numerierbarkeit (individuelle Benennung). Objektiv sind lediglich Quantenfeldzustände, charakterisiert durch Besetzungszahlen, aber die einzelnen Teilchen können aufgrund ihrer Zustände im Rahmen des Formalismus nicht mehr unterschieden werden. Wenn die Bahn eines Teilchens konstitutiv für dessen Identität ist, und Identität eine Mindestbedingung für Gegenstände darstellt, dann wird der Status von elementaren Partikeln fraglich. Auch Selbstinterferenz, Verschränktheit (keine Lokalisation und Separierbarkeit), Superposition und der Welle-Teilchen-Dualismus sprengen unser Alltagsverständnis und Vorstellungsvermögen von der Natur der Quantenwelt. In einem gewissen, streng definierbaren Sinn ist die Welt also holistisch; eine standpunktsunabhängige Beschreibung der Realität hat sich in der Quantenmechanik als undurchführbar erwiesen. Die Separation einzelner Objekte und die Subjekt-Objekt-Trennung sind pragmatische Abstraktionen und Idealisierungen, die epistemologischen Nutzen, aber anscheinend keine ontologische Realität haben. Das Bohr'sche Korrespondenzprinzip postuliert einen Übergang von der bizarren mikroskopischen Welt der Quantenphänomene auf unsere meso- oder makroskopische Alltagswelt, ändert aber nichts daran, daß letztlich alles auf quantenphysikalischen Prozessen beruht. So werden durch die Quantentheorie drei für die klassische Physik unhinterfragte Aspekte der Natur zweifelhaft: ihre Kausalität, ihre Verständlichkeit und ihre Realität.
Quantentheorie 2
Interpretationen der Quantenphysik:
- Kopenhagener Deutung (Niels Bohr, Léon Rosenfeld): nur Beziehungen zwischen beobachtbaren Größen relevant; Beobachtungen sind an klassische Meßinstrumente gebunden, der Meßprozeß kann nicht als physikalischer Vorgang analysiert werden, die Quantenwelt ist unabhängig von Meßprozessen unerkennbar, diese gehen nicht notwendig mit Bewußtsein einher; Dualismus der Beschreibung zwischen klassischen und Quantenobjekten; die Wellenfunktion bezieht sich auf individuelle Systeme und drückt die bestmögliche Kenntnis des Systemszustands aus; Quantenobjekte haben nur relationale Eigenschaften hinsichtlich bestimmter Meßvorrichtungen (keine Objektivität im klassischen Sinn, aber objektiv, da unabhängig von aktualen Messungen); Welle-Teilchen-Dualismus
- Ensemble-Interpretation (Dimitrij Iwanowitsch Blochinzew, Albert Einstein, Alfred Landé, Paul Langevin, Henry Margenau): quantenmechanische Aussagen beziehen sich nicht auf einzelne Systeme, sondern sind statistische Aussagen über Ensembles von identisch präparierten Systemen; keine Reduktion auf einen Meßwert möglich (z.B. nicht nur für eine Katze); kein Kollaps der Wellenfunktion, sondern Präparation neuer Ensembles
- stochastische Interpretation (Erwin Schrödinger): Quantenmechanik als klassische Theorie mit probabilistischem Charakter
- kausale Interpretation (Louis Victor Pierre de Broglie, David Bohm): Wellenfunktion enthält einerseits die Information über den wahrscheinlichsten Aufenthaltsort des Teilchens und beeinflußt diesen andererseits durch eine begleitende Pilotwelle; kein Kollaps der Wellenfunktion, sondern statistische Annahmen über die Verteilung der Teilchen
- Propensität-Interpretation (Leslie E. Ballentine, Karl R. Popper): Propensitäten sind innere Eigenschaften von Systemen, die im Hinblick auf eine Meßanordnung definiert, aber unabhängig davon vorhanden sind; realistische Deutung der Quantenzustände als theoretische Eigenschaften, die durch experimentell festgestellte relative Häufigkeiten getestet werden
- spontane Lokalisierung (Gian-Carlo Ghirardi, Alberto Rimini, Tullio Weber): Abänderung der Schrödinger-Gleichung durch einen stochastischen Korrekturterm, der zwar selten, aber immer wieder einen örtlichen Kollaps der Wellenfunktion bewirkt, so daß makroskopische Objekte rasch der Superposition entkommen
- Quantenzustandsdiffusion (Ian Percival, Nicholas Gisin): Ständiger zufälliger Kollaps wegen Quantenfluktuationen
- Quantenlogik(en) (Garret Birkhoff, John von Neumann, David Finkelstein): das klassische Prinzip vom ausgeschlossenen Dritten und der Satz vom Widerspruch gelten in der Quantenwelt nur eingeschränkt oder das Distributivgesetz ist ungültig; eine neue, drei- oder mehrwertige Logik ist nötig
- Dekohärenz (H. Dieter Zeh, Erich Joos, Wojciech H. Zurek): Wechselwirkung mit der Umgebung zerstört die lokale Superposition von Quantenzuständen
- Vielwelten-Hypothese (Hugh Everett, John Archibald Wheeler, Bryce S. DeWitt): die Wellenfunktion kollabiert nie, sondern das Universum (einschließlich der Beobachter) spaltet sich gleichsam ständig auf, so daß alle möglichen Alternativen wirklich werden und diese Welten fortan ihre eigene, praktisch unabhängige Entwicklung durchlaufen (Paralleluniversen)
- Viele-Historien-Interpretation (Richard Feynman, James Hartle, Murray Gell-Mann): alternative Entwicklungslinien mit unterschiedlichen Wahrscheinlichkeiten, nur eine ist der Beobachtung zugänglich; bei grobkörniger Betrachtung "waschen" sich die Superpositionen aus; Dekohärenz durch Umgebung
- Quantentheorie nur als "vorübergehender Notbehelf" (John Bell): ohne Willensfreiheit ist das Bellsche Theorem nicht ableitbar und die Vollständigkeit der Quantentheorie experimentell nicht beweisbar
- subjektivistische, mentalistische und dualistische Deutungen siehe Zusatzinfo 3
Quantentheorie 3
prominente Beispiele für spekulative Versuche, Bewußtseinsprozesse mit Hilfe quantenphysikalischer Prozesse zu erklären und umgekehrt:
- mue Quantentheorie berücksichtigt die Existenz bewußter Beobachter (Werner Heisenberg, Wolfgang Pauli)
- die Quantentheorie enthält eine Theorie des Bewußtseins, denn sie handelt von Beobachtern und somit letztlich von subjektiven Erlebnissen (Henry Stapp)
- Dualismus von Welt und Beobachter (John von Neumann, Henry Stapp)
- Komplementarität entspricht dem Aspektdualismus von Psychischem und Physischem (John Smythies)
- Physik ist nicht ohne Bewußtsein verständlich; Postulat eines nichtphysikalischen individuellen und universellen Bewußtseins (Euan J. Squires)
- Idealismus: Das Bewußtsein bestimmt das Sein, d.h. den Ausgang der Meßprozesse (John von Neumann, Fritz London, Edmond Bauer, Eugene Wigner)
- nichtphysisches Bewußtsein bringt ideale Quantenobjekte erst zur Realität bzw. bestimmt den Kollaps der Wellenfunktion (Amit Goswami, Ludvik Bass)
- Quantensprünge für die menschliche Willensfreiheit (Pascual Jordan, John Eccles, David Hodgson)
- partizipatorisches anthropisches Prinzip: Bewußtsein und physische Welt bedingen und konstituieren sich wechselseitig (John Archibald Wheeler)
- Viele-Bewußtseine-Interpretation: Der Kollaps der Wellenfunktion bei quantenmechanischen Meßprozessen findet nicht statt, sondern das Bewußtsein spaltet sich gleichsam auf in einzelne Bewußtseine, die jeweils den unterschiedlichen Ausgang der Messungen repräsentieren (David Albert, Brian Loewer, Matthew J. Donald, H. Dieter Zeh)
- neutraler Monismus: verborgene Variablen, implizite Ordnung und Ganzheit (David Bohm)
- neutraler Monismus: quantisierte Information (John A. Wheeler, Anton Zeilinger)
- Quantenreduktionismus: Bewußtsein basiert auf Identität räumlicher Ganzheiten wie Bose-Einstein-Kondensat (Ian N. Marshall)
- Gehirn ist Quantencomputer (Michael Lockwood)
- Quanteneffekte an Synapsen als Schlupflöcher für den Eingriff eines nichtphysischen Geistes in das Kausalgewebe der Natur (Pascual Jordan, Henry Margenau, Hans Jonas, John C. Eccles, Friedrich Beck)
- neue Physik (Quantengravitationstheorie) nötig zum Verständnis von Bewußtsein (Roger Penrose)
- Quantenkohärenzen in Mikrotubuli als Bewußtmacher (Stuart Hameroff, Roger Penrose)
- Panpsychismus: Bewußtsein schon bei Elementarteilchen (Alfred N. Whitehead, Andrew A. Cochran, Abner Shimony)
- Überwindung des Psyche-Soma-Dualismus in der Medizin (Friedrich Schmahl, Carl Friedrich von Weizsäcker)
- Quantentheorie als Erklärungsansatz für Psi-Phänomene (Robert Jahn, Brian Josephson)
- alles hängt mit allem zusammen und hat Sinn (Fritjof Capra)
Quantentheorie 4
Ein Wirkungsquant fliegt durch das Dorf
es sucht das Hirn des Herrn von Korf.
Es findet dort in dem Gewühl
ein ganz bestimmtes Molekül.
Von Korf ist grad in schwerer Not:
"Eß' Wurst- ich oder Käse-Brot?"
Das Quant, das wirft sich in die Brust:
"Du glaubst, du willst! Allein: Du mußt!
Nie kannst die Freiheit du erringen.
Doch ich bin frei und kann dich zwingen!"
Elektron "9" sprach: "Spring' mich doch!"
Das Quant: "Ich überleg' mir's noch."
Dann hat durch es Elektron "8"
'nen akausalen Sprung gemacht.
Von Korf nahm daraufhin spontan
die Wurst und fing zu essen an
und nimmt die Sache ganz im Stillen
dann als Beweis für freien Willen.
Dem Quant hat das den Rest gegeben:
frei-willig schied es aus dem Leben.
B. Hassenstein
Quantentheorie 5
Quantensprünge im Gehirn - Schlupflöcher für den Geist?
John C. Eccles hat behauptet, ein nichtphysischer Geist könnte die Exocytose beeinflussen. Diese hängt von zahlreichen großen Proteinen in und bei den Vesikeln und der synaptischen Membran ab, die z.B. Fusionsporen formen. Es ist unwahrscheinlich, daß Quanteneffekte auf dieser Größenskala eine signifikante Rolle spielen können, also Konfigurationsänderungen bei Makromolekülen zu bewirken vermögen. Unter den bekannten präsynaptischen Bedingungen wirkt sich die Heisenbergsche Unschärferelation nur für Massen in der Größenordnung des Wasserstoffatoms und für Zeitskalen in der Größenordnung von Femtosekunden aus. Es ist völlig rätselhaft, wie solche winzigen Quanteneffekte die Exocytose auslösen könnten, d.h. die Membranen von Vesikel und der Präsynapse zu öffnen vermögten. Noch problematischer: Wenn die Quanteneffekte diesen Einfluß tatsächlich haben, dann ist es unverständlich, wieso nichtkausaleEreignisse die neuronalen Aktivitäten nicht durcheinanderbringen und damit die Organisation von Wahrnehmung und Verhalten stören. Und die Quanteneffekte sind der gängigen Interpretation nach unverursacht, d.h. reiner Zufall. Einerseits braucht Eccles die indeterministische und probabilistische Natur der Quanteneffekte, um die Verletzung der physikalischen Erhaltungsgrößen zu vermeiden. Doch andererseits ist die Lücke im Kausalnexus der Natur notwendig, aber nicht hinreichend für den interaktionistischen Dualismus: Willensfreiheit kann sich nicht allein auf den reinen Zufall gründen. Eccles zufolge ist das Selbst in der Lage, die Wahrscheinlichkeitsverteilung der Quanteneffekte zu verändern (oder spezifische Quantensprünge auszuwählen) und dadurch die neuronalen Aktivitäten auf eine zielgerichtete Art und Weise zu beeinflussen. Aber das impliziert eine Verletzung der quantenmechanischen Wahrscheinlichkeitsverteilung, die rein statistisch ist, und führt letztlich wieder sogenannte verborgene Parameter ein, die die Quantenprozesse bedingen. Doch die Existenz solcher verborgener Variablen, und nichts anderes wären die Eccles'schen Geister, ist experimentell widerlegt. Außerdem gibt es doch ein Problem mit den physikalischen Erhaltungssätzen: Nach interaktionistischer Auffassung muß der Geist hinter den Kulissen Informationen mit dem Gehirn austauschen. Aber die gegenwärtige Physik postuliert entweder eine Transformation von Materie oder Energie bei informationsverarbeitenden Prozessen, oder diese Prozesse können überhaupt keine Information übertragen. Und selbst wenn die Quanteneffekte wirksam wären und den Satz der Energieerhaltung aufgrund der Heisenbergschen Energie-Zeit-Unschärfe nicht verletzen würden, haben die corticalen Aktivitäten bekanntlich einen enormen Energieverbrauch, wie Messungen mit Positronenemissionstomographie und funktioneller Kernspinresonanztomographie zeigen, und zwar selbst bei bloßen Vorstellungen. Warum sollten und wie können also winzige Quanteneffekte die höchsten Hirnfunktionen ohne Energie in Gang setzen? Und selbst wenn sie es könnten: Wie würde das Eccles'sche Selbst es schaffen, Myriaden von Vesikeln mit Transmittern bei der Exocytose zu dirigieren, ohne Wahrnehmung, Denken und motorische Kontrolle zu beeinträchtigen oder völlig zu unterbrechen? Das ist das klassische Problem von Jordans Verstärker-Hypothese. Und Eccles hat eine Verstärkung postuliert, weil seine hypothetischen Quanteneffekte sonst ineffektiv wären. Selbst wenn sich die ferngesteuerten Quanteneffekte wirklich lawinenartig aufschaukeln können und diese Verstärkungseffekte nicht zum Chaos führen würden, müßten ihre Wirkungen extrem genau vorausberechnet werden. Dann müßte das Selbst aber mehr wissen, als selbst die Quantentheorie erlaubt (aufgrund der Heisenbergschen Unschärferelation). Es müßte unendlich schnell rechnen können, denn das Gehirn ist ein komplexes System mit einer starken nichtlinearen Dynamik auf ganz verschiedenen Ebenen, die in der Praxis nicht einmal von den größten denkbaren Computern exakt berechnet werden könnte.
Quelle
Quantentheorie w [von latein. quantum = wieviel], E quantum theory, theoretische Beschreibung und Erklärung mikrophysikalischer Erscheinungen, die durch Größen wie Energie, Ladung, Spin, Impuls usw. gekennzeichnet sind, welche in der klassischen Physik keine Entsprechung haben oder im Gegensatz zu ihr quantisiert sind, d.h. nicht kontinuierlich beliebige Werte annehmen können, sondern jeweils nur bestimmte diskrete Vielfache eines bestimmten Wertes. In den letzten Jahren sind zahlreiche hochspekulative Hypothesen und Diskussionen über den Zusammenhang der zunächst scheinbar so weit entfernten Themen Quantentheorie auf der einen und Gehirn und Bewußtsein auf der anderen Seite entstanden (Geist und Gehirn, Leib-Seele-Problem). - Die Quantentheorie ist zusammen mit der Allgemeinen Relativitätstheorie die experimentell am besten bestätigte physikalische Theorie überhaupt. Trotzdem hat z.B. Richard Feynman behauptet, daß, abgesehen von den praktischen Anwendungen, "niemand die Quantentheorie versteht" ( siehe Zusatzinfo 1 ). Zu paradox und bizarr sind ihre Resultate, Voraussagen und Interpretationen: Eine Zwitterexistenz von Wellen und Teilchen; anscheinend mit sich selbst wechselwirkende oder interferierende Partikel; die Unschärfe bestimmter Größen wie Impuls (Masse mal Geschwindigkeit) und Ort oder wie Energie und Zeit; räumlich und zeitlich "verschmierte" Zustände; umkehrbare Messungen; "spukhafte Fernwirkungen" (Albert Einstein) zwischen sogenannten verschränkten Quantensystemen; Teleportation von Zuständen eines Photons oder Atoms auf ein anderes ohne Zeitverlust; scheinbar überlichtschnelle Signale; nicht verursachte Zufälle (spontane Energiesprünge, Tunneleffekte beim radioaktiven Zerfall, Materie-Antimaterie-Paarerzeugung); und das sogenannte Meßproblem, das mit dem "Kollaps" der Wellenfunktion zusammenhängt (Reduktion des Zustandsvektors): Die Schrödinger-Gleichung (Psi- oder Wellenfunktion) beschreibt den Zustand oder die Entwicklung eines Quantensystems als statistische Überlagerung von Zuständen. Welcher davon zu einem bestimmten Zeitpunkt real ist, kann nicht exakt vorausgesagt, sondern nur durch eine Messung experimentell bestimmt werden (Kollaps der Wellenfunktion, dessen physikalische Bedeutung aber umstritten ist). Doch wo fängt eine Messung an, wo hört sie auf? Sind Meßapparate, einschließlich der menschlichen Gehirne, nicht auch physikalische Objekte, die den Gesetzen der Quantentheorie gehorchen? Wie vollzieht sich der Übergang von der Makro- in die Mikrowelt bzw. der klassischen Physik in die Quantenphysik (experimentell erweist sich die Grenze als immer mehr verschiebbar)? Was ist die Bedeutung der Zustandswellenfunktion, worin besteht der Status eines Beobachters, was ist überhaupt wirklich? - Diese unbefriedigende Situation hat schon Erwin Schrödinger gesehen und 1935 mit einem Gedankenexperiment zu illustrieren versucht: "Man kann auch ganz burleske Fälle konstruieren. Eine Katze wird in eine Stahlkammer gesperrt, zusammen mit folgender Höllenmaschine (die man gegen den direkten Zugriff der Katze sichern muß): In einem Geigerschen Zählrohr befindet sich eine winzige Menge radioaktiver Substanz, so wenig, daß im Lauf einer Stunde vielleicht eines von den Atomen zerfällt, ebenso wahrscheinlich aber auch keines; geschieht es, so spricht das Zählrohr an und betätigt über ein Relais ein Hämmerchen, das ein Kölbchen mit Blausäure zertrümmert. Hat man dieses ganze System eine Stunde lang sich selbst überlassen, so wird man sich sagen, daß die Katze noch lebt, wenn inzwischen kein Atom zerfallen ist. Der erste Atomzerfall würde sie vergiftet haben. Die Psi-Funktion des ganzen Systems würde das so zum Ausdruck bringen, daß in ihr die lebende und die tote Katze zu gleichen Teilen gemischt oder verschmiert sind." - Diese Parabel war als Beispiel gedacht, wie die Quantentheorie in anderen Bereichen mißbraucht werden kann, und wie unangemessen eine Übertragung mikrophysikalischer Phänomene (beispielsweise der verschmierten Zwitterzustände, d.h. der Überlagerung oder Superposition) auf makroskopische Objekte der Alltagswelt (etwa Katzen) ist. Aber viele Physiker und Philosophen haben Schrödingers Katze ernst und wörtlich genommen. Doch macht es wirklich Sinn anzunehmen, daß die Katze in der Kiste zugleich tot und lebendig ist oder eben keines von beidem, solange sie niemand beobachtet? Oder sorgt die Beobachtung sogar erst für einen eindeutigen Katzenzustand? Diese radikale Auffassung hat tatsächlich ihre Anhänger und führt geradewegs zu einem philosophischen Idealismus: "Sein ist Wahrgenommenwerden" (George Berkeley). Beträchtliche Schwierigkeiten liegen allerdings auf der Hand: Woher kommt der Beobachter? Wieso kann er die Welt nicht einfach so sehen, wie er will; wieso ist sie oftmals so unerquicklich? Geht der verschmierte Zustand von Schrödingers Katze nicht auf den Beobachter über? Angenommen, ein Mann öffnet die Kammer und schaut nach der Katze. Vor der Tür warten Journalisten, um vom Schicksal des Tieres zu erfahren. Müßte der Mann, solange er ihnen nichts berichtet hat, für sie nun nicht seinerseits in einem Überlagerungszustand befinden zwischen jemand, der eine tote Katze in der Kiste erblickt hat, und einem, dem sie quietschlebendig in die Arme sprang? Andererseits: Könnte sich die Katze, die doch wohl auch ein Bewußtsein hat, nicht selbst beobachten und dadurch am Leben halten? Es ist auch fraglich, ob die Schrödinger-Gleichung auf Katzen überhaupt anwendbar ist, da sie Energie verbrauchen, also kein geschlossenes System sind. Und: Könnte ein Beobachter den Todeszeitpunkt der Katze nicht nachträglich feststellen, z.B. durch die Messung des Sauerstoffverbrauchs in der Kiste? Außerdem sind die Quanteneffekte bei makroskopischen Objekten viel zu gering. Die prinzipielle Meßungenauigkeit eines Tennisballs beträgt aufgrund der Heisenbergschen Unschärferelation beispielsweise nur 1:10-16, die von Nervenimpulsen 1:10-9. Mit anderen Worten: Quanteneffekte dürften das Gehirn eigentlich nicht stärker beeinflussen als ein Stampfen auf den Boden die Bahn der Erde. Hinzu kommt, daß Quantenzustände wie z.B. der radioaktive Zerfall normalerweise nicht verstärkt werden können, ohne die Superposition zu zerstören. Durch eine Wechselwirkung mit der Umgebung wird der ursprünglich reine Zustand des Quantensystems in einen gemischten Zustand überführt, der durch einen Zustandsvektor der Psi-Funktion nicht mehr beschrieben werden kann; es entwickelt sich in extrem kurzer Zeit ein verschränkter Zustand zwischen Quantensystem und Umgebung, so daß Interferenzen zwischen verschiedenen Makrozuständen unbeobachtbar werden (sie verschwinden lokal, gehen aber gleichsam auf das Gesamtsystem über). Aufgrund dieser Dekohärenz erscheint Schrödingers Katze daher immer entweder tot oder lebendig. - Diese nach wie vor anhaltende Unklarheit der naturphilosophischen Interpretation der Quantenphysik ( siehe Zusatzinfo 2 ) ist der Hintergrund, vor dem auch Versuche gesehen werden müssen, neuronale Prozesse und Bewußtsein mit quantenphysikalischen Vorgängen in Verbindung zu bringen oder gar zu erklären ( siehe Zusatzinfo 3 ). Schon Max Planck hat, da die Quantenmechanik dem Determinismus der klassischen Physik zu widersprechen scheint, eine neue Möglichkeit für die menschliche Willensfreiheit gesehen, allerdings nur im epistemischen Sinn: Die Zukunft ist offen, d.h. nicht exakt vorherbestimmt und voraussagbar. Pascual Jordan ging noch einen Schritt weiter und sah in den indeterministischen Quantenprozessen "Schlupflöcher" im Kausalgefüge der Physik, durch die mentale Prozesse in die Natur eingreifen können. Ähnlich argumentierte John C. Eccles. Er glaubte nicht an einen rein neuronalen Ursprung des menschlichen Geistes, sondern betrachtete diesen als göttliche Schöpfung und eigenständige, von der physikalischen Welt unabhängige Existenzform. Doch wie kann dieser vermeintlich freie Geist in die Materie eingreifen? Eccles formulierte hierzu gemeinsam mit Friedrich Beck eine kühne Hypothese: Es sind Quanteneffekte, die der Geist in Bewegung bringt oder zumindest ausnützt ( siehe Zusatzinfo 4 ). Eccles zufolge geschieht das an den Synapsen, den Verbindungsstellen zwischen den Nervenzellen. Das Bewußtsein soll über Quantensprünge Neurotransmitter freisetzen, die die nachgeschaltete Zelle aktivieren oder hemmen könnten. Beck hat dies durch ein biophysikalisches Modell noch ergänzt, das den Elektronentransport in den Synapsen berücksichtigt. Die Probleme für Eccles' neuronale Quantentheorie des Bewußtseins sind aber gewaltig ( siehe Zusatzinfo 5). Trotzdem ist sie nicht von vornherein unsinnig. In gewisser Hinsicht läßt sich die Frage nach der Einwirkung eines nichtphysischen Bewußtseins auf Quantenprozesse sogar experimentell untersuchen: Mit Hilfe eines Apparats, bei dem zwei Zeiger radioaktive Zerfälle registrieren, kann ein Beobachter versuchen, einem anderen eine Botschaft zu übermitteln, indem er den Zeiger seines eigenen Meßgeräts entweder ansieht oder nicht. Überzeugende Hinweise auf einen solchen Informationstransfer haben die bisherigen Experimente jedoch nicht gefunden. - Einen anderen Betrachtungswinkel hat der Ansatz von Matthew J. Donald. Hier greift das Bewußtsein nicht in die Welt ein, sondern ist gleichsam ein Epiphänomen. Auch kollabiert die Wellenfunktion nicht, sondern alle Alternativen realisieren sich in verschiedenen Bewußtseinszuständen. In dieser Viele-Bewußtseine-Interpretation (E many minds interpretation) basieren die verschiedenen Übergänge auf quantenphysikalischen Schaltern. Als neuronales Korrelat sieht Donald Ionenkanäle in Nervenzellmembranen an, die entweder offen oder geschlossen sind. Freilich ist unklar, weshalb solche einzelnen Umschaltungen schon Bewußtsein erzeugen oder verändern können, wieso nicht auch andere Moleküle mit Konformationsänderungen (z.B. Rhodopsin) in Betracht kommen und weshalb die Entwicklung eines Quantensystems überhaupt etwas mit mentalen Prozessen zu tun hat. - Auch Roger Penrose arbeitet an einer Quantentheorie des Bewußtseins. Er ist davon überzeugt, daß Denken auf nichtberechenbaren und im Computer prinzipiell nicht simulierbaren Prozessen beruht, für deren Beschreibung die gegenwärtige Physik noch gar nicht ausreicht. Penrose verbindet das Mysterium des menschlichen Geistes mit dem großen Ziel der theoretischen Physik: einer Vereinheitlichung von Quantentheorie und Allgemeiner Relativitätstheorie. Diese Theorie der Quantengravitation, so hofft Penrose, wird gleich drei Fliegen mit einer Klappe schlagen: das Rätsel des Urknalls, das Meßproblem in der Quantenphysik und das Geheimnis des Bewußtseins. "Ich meine nicht nur, daß wir eine neue Physik brauchen, sondern daß diese neue Physik auch für die Vorgänge im Gehirn von Relevanz sein muß." Für Kritiker sind Quantentheorien des Bewußtseins dagegen nicht nur ein unzulässiger physikalischer Reduktionismus, weil mentale Vorgänge auf anderen Beschreibungsebenen zu erklären seien, sondern auch bloßes Wunschdenken. Inzwischen vermutet Penrose mit Stuart Hameroff, daß Mikrotubuli den Geist hervorzaubern. Penrose und Hameroff meinen, daß sie sich, ähnlich wie Schrödingers zugleich tote und lebende Katze, häufig in kohärenten Überlagerungszuständen befinden. Diese sollen nach den mutmaßlichen Gesetzen der Quantengravitation im Sekundentakt von selbst zu einem eindeutigen Zustand kollabieren und dabei den Strom von Bewußtseinsmomenten erzeugen. Wie das im einzelnen geschehen soll, versteht allerdings niemand. Außerdem ist es extrem unwahrscheinlich oder sogar ein Widerspruch, daß die Quanteneffekte einerseits lang genug von der Umgebung abgeschirmt bleiben, sich andererseits aber wohlgeordnet über das ganze Gehirn ausbreiten können. Auch physiologische Daten sprechen gegen eine Beteiligung der Mikrotubuli an Bewußtseinsvorgängen, zumal diese in jeder Eukaryotenzelle vorkommen, also nicht nur in Neuronen. - "Fünfzig Jahre angestrengten Nachdenkens haben mich der Antwort auf die Frage 'Was sind Lichtquanten?' nicht näher gebracht. Heute bilden sich Hinz und Kunz ein, es zu wissen. Aber da täuschen sie sich", schrieb Albert Einstein 1951 in einem Brief. Er war bis zu seinem Tod skeptisch gegen die Umwälzungen der Quantenphysik eingestellt. Sicherlich hätte ihn amüsiert, daß Quanteneffekte jetzt, 50 Jahre später, sogar in den Köpfen der Bewußtseinsforscher herumspuken. Ob das wörtlich oder aber polemisch zu verstehen ist, muß gegenwärtig offen bleiben. Auch unkonventionelle Wege können bekanntlich zu völlig neuen Erkenntnissen führen. Und Joseph Joubert wußte schon vor 200 Jahren: "Es ist besser, eine Frage zu diskutieren, ohne sie zu entscheiden, als eine Frage zu entscheiden, ohne sie zu diskutieren."
R.V.
Lit.: Baumann, K., Sexl, R.U.: Die Deutungen der Quantentheorie. Braunschweig, Wiesbaden 1987. Davies, P.C.W., Brown, J.: Der Geist im Atom. Frankfurt am Main 1993. d'Espagnat, B.: Veiled Reality. Reading 1995. Donald, M.J.: Quantum Theory and the Brain. Proceedings of the Royal Society, London A 427 (1990), S. 43-93. Eccles, J.C.: Wie das Selbst sein Gehirn steuert. München, Zürich 1996. Ghose, P.: Testing Quantum Mechanics on New Ground. Cambridge 1999. Giulini, D. u.a.: Decoherence and the Appearance of a Classical World in Quantum Theory. Heidelberg 1996. Gribbin, J.: Schrödingers Kätzchen und die Suche nach der Wirklichkeit. Frankfurt am Main 1996. Herbert, N.: Quantum Reality. New York 1985. Lockwood, M.: Mind, Brain and the Quantum. Oxford 1989. Penrose, R.:Das Große, das Kleine und der menschliche Geist. Heidelberg, Berlin 1998. Selleri, F.: Die Debatte um die Quantentheorie. Braunschweig, Wiesbaden 1984. Vaas, R.:Quantenspuk. bild der wissenschaft 9 (2000), S. 70-75. Wechsler, D.: Die Quantenphilosophie des Bewußtseins. Neuried 1999. Wheeler, J.A., Zureck, W.H. (Hrsg.): Quantum Theory and Measurement. Princeton 1983. Wick, D.: The Infamous Boundary. Boston 1995.
Quantentheorie 1
rätselhafte Quantenwelt:
Zwar ist der Status des Beobachters in der Quantentheorie und die Frage, ob und wie Materie bewußtes Erleben hervorbringt, noch immer ein Gegenstand kontroverser Diskussionen. Doch haben Experimente inzwischen eindeutig bestätigt, daß die Bedingungen der Lokalität und Separabilität in der klassischen Physik keine Entsprechung in der Quantentheorie haben. Stattdessen herrschen dort verschränkte Zustände (EPR-Korrelationen) zwischen Quantensystemen, die sich vielleicht sogar bald nutzen lassen: Zur Verschlüsselung von Botschaften (Quantenkryptographie) und zur Berechnung anderweitig nicht oder nur mit riesigem Aufwand lösbarer Probleme (Quantencomputer). Trotz des großen Erfolgs der Quantentheorie "für alle praktischen Zwecke" sind ihre philosophischen Konsequenzen alarmierend und noch lange nicht ausgelotet. Ihr Indeterminismus stellt die Kausalität in Frage, und der Formalismus der Wellenfunktion generell eine objektive Naturbeschreibung. Hier macht es keinen Sinn mehr, von identifizierbaren individuellen Teilchen zu sprechen, denn es existiert keine wohlbestimmte raumzeitliche Bahn (wegen der Unschärferelation) und keine Unterscheidbarkeit aufgrund des Teilchenzustands (wegen der Permutations-Invarianz im Formalismus), d.h. nur noch Abzählbarkeit, keine Numerierbarkeit (individuelle Benennung). Objektiv sind lediglich Quantenfeldzustände, charakterisiert durch Besetzungszahlen, aber die einzelnen Teilchen können aufgrund ihrer Zustände im Rahmen des Formalismus nicht mehr unterschieden werden. Wenn die Bahn eines Teilchens konstitutiv für dessen Identität ist, und Identität eine Mindestbedingung für Gegenstände darstellt, dann wird der Status von elementaren Partikeln fraglich. Auch Selbstinterferenz, Verschränktheit (keine Lokalisation und Separierbarkeit), Superposition und der Welle-Teilchen-Dualismus sprengen unser Alltagsverständnis und Vorstellungsvermögen von der Natur der Quantenwelt. In einem gewissen, streng definierbaren Sinn ist die Welt also holistisch; eine standpunktsunabhängige Beschreibung der Realität hat sich in der Quantenmechanik als undurchführbar erwiesen. Die Separation einzelner Objekte und die Subjekt-Objekt-Trennung sind pragmatische Abstraktionen und Idealisierungen, die epistemologischen Nutzen, aber anscheinend keine ontologische Realität haben. Das Bohr'sche Korrespondenzprinzip postuliert einen Übergang von der bizarren mikroskopischen Welt der Quantenphänomene auf unsere meso- oder makroskopische Alltagswelt, ändert aber nichts daran, daß letztlich alles auf quantenphysikalischen Prozessen beruht. So werden durch die Quantentheorie drei für die klassische Physik unhinterfragte Aspekte der Natur zweifelhaft: ihre Kausalität, ihre Verständlichkeit und ihre Realität.
Quantentheorie 2
Interpretationen der Quantenphysik:
- Kopenhagener Deutung (Niels Bohr, Léon Rosenfeld): nur Beziehungen zwischen beobachtbaren Größen relevant; Beobachtungen sind an klassische Meßinstrumente gebunden, der Meßprozeß kann nicht als physikalischer Vorgang analysiert werden, die Quantenwelt ist unabhängig von Meßprozessen unerkennbar, diese gehen nicht notwendig mit Bewußtsein einher; Dualismus der Beschreibung zwischen klassischen und Quantenobjekten; die Wellenfunktion bezieht sich auf individuelle Systeme und drückt die bestmögliche Kenntnis des Systemszustands aus; Quantenobjekte haben nur relationale Eigenschaften hinsichtlich bestimmter Meßvorrichtungen (keine Objektivität im klassischen Sinn, aber objektiv, da unabhängig von aktualen Messungen); Welle-Teilchen-Dualismus
- Ensemble-Interpretation (Dimitrij Iwanowitsch Blochinzew, Albert Einstein, Alfred Landé, Paul Langevin, Henry Margenau): quantenmechanische Aussagen beziehen sich nicht auf einzelne Systeme, sondern sind statistische Aussagen über Ensembles von identisch präparierten Systemen; keine Reduktion auf einen Meßwert möglich (z.B. nicht nur für eine Katze); kein Kollaps der Wellenfunktion, sondern Präparation neuer Ensembles
- stochastische Interpretation (Erwin Schrödinger): Quantenmechanik als klassische Theorie mit probabilistischem Charakter
- kausale Interpretation (Louis Victor Pierre de Broglie, David Bohm): Wellenfunktion enthält einerseits die Information über den wahrscheinlichsten Aufenthaltsort des Teilchens und beeinflußt diesen andererseits durch eine begleitende Pilotwelle; kein Kollaps der Wellenfunktion, sondern statistische Annahmen über die Verteilung der Teilchen
- Propensität-Interpretation (Leslie E. Ballentine, Karl R. Popper): Propensitäten sind innere Eigenschaften von Systemen, die im Hinblick auf eine Meßanordnung definiert, aber unabhängig davon vorhanden sind; realistische Deutung der Quantenzustände als theoretische Eigenschaften, die durch experimentell festgestellte relative Häufigkeiten getestet werden
- spontane Lokalisierung (Gian-Carlo Ghirardi, Alberto Rimini, Tullio Weber): Abänderung der Schrödinger-Gleichung durch einen stochastischen Korrekturterm, der zwar selten, aber immer wieder einen örtlichen Kollaps der Wellenfunktion bewirkt, so daß makroskopische Objekte rasch der Superposition entkommen
- Quantenzustandsdiffusion (Ian Percival, Nicholas Gisin): Ständiger zufälliger Kollaps wegen Quantenfluktuationen
- Quantenlogik(en) (Garret Birkhoff, John von Neumann, David Finkelstein): das klassische Prinzip vom ausgeschlossenen Dritten und der Satz vom Widerspruch gelten in der Quantenwelt nur eingeschränkt oder das Distributivgesetz ist ungültig; eine neue, drei- oder mehrwertige Logik ist nötig
- Dekohärenz (H. Dieter Zeh, Erich Joos, Wojciech H. Zurek): Wechselwirkung mit der Umgebung zerstört die lokale Superposition von Quantenzuständen
- Vielwelten-Hypothese (Hugh Everett, John Archibald Wheeler, Bryce S. DeWitt): die Wellenfunktion kollabiert nie, sondern das Universum (einschließlich der Beobachter) spaltet sich gleichsam ständig auf, so daß alle möglichen Alternativen wirklich werden und diese Welten fortan ihre eigene, praktisch unabhängige Entwicklung durchlaufen (Paralleluniversen)
- Viele-Historien-Interpretation (Richard Feynman, James Hartle, Murray Gell-Mann): alternative Entwicklungslinien mit unterschiedlichen Wahrscheinlichkeiten, nur eine ist der Beobachtung zugänglich; bei grobkörniger Betrachtung "waschen" sich die Superpositionen aus; Dekohärenz durch Umgebung
- Quantentheorie nur als "vorübergehender Notbehelf" (John Bell): ohne Willensfreiheit ist das Bellsche Theorem nicht ableitbar und die Vollständigkeit der Quantentheorie experimentell nicht beweisbar
- subjektivistische, mentalistische und dualistische Deutungen siehe Zusatzinfo 3
Quantentheorie 3
prominente Beispiele für spekulative Versuche, Bewußtseinsprozesse mit Hilfe quantenphysikalischer Prozesse zu erklären und umgekehrt:
- mue Quantentheorie berücksichtigt die Existenz bewußter Beobachter (Werner Heisenberg, Wolfgang Pauli)
- die Quantentheorie enthält eine Theorie des Bewußtseins, denn sie handelt von Beobachtern und somit letztlich von subjektiven Erlebnissen (Henry Stapp)
- Dualismus von Welt und Beobachter (John von Neumann, Henry Stapp)
- Komplementarität entspricht dem Aspektdualismus von Psychischem und Physischem (John Smythies)
- Physik ist nicht ohne Bewußtsein verständlich; Postulat eines nichtphysikalischen individuellen und universellen Bewußtseins (Euan J. Squires)
- Idealismus: Das Bewußtsein bestimmt das Sein, d.h. den Ausgang der Meßprozesse (John von Neumann, Fritz London, Edmond Bauer, Eugene Wigner)
- nichtphysisches Bewußtsein bringt ideale Quantenobjekte erst zur Realität bzw. bestimmt den Kollaps der Wellenfunktion (Amit Goswami, Ludvik Bass)
- Quantensprünge für die menschliche Willensfreiheit (Pascual Jordan, John Eccles, David Hodgson)
- partizipatorisches anthropisches Prinzip: Bewußtsein und physische Welt bedingen und konstituieren sich wechselseitig (John Archibald Wheeler)
- Viele-Bewußtseine-Interpretation: Der Kollaps der Wellenfunktion bei quantenmechanischen Meßprozessen findet nicht statt, sondern das Bewußtsein spaltet sich gleichsam auf in einzelne Bewußtseine, die jeweils den unterschiedlichen Ausgang der Messungen repräsentieren (David Albert, Brian Loewer, Matthew J. Donald, H. Dieter Zeh)
- neutraler Monismus: verborgene Variablen, implizite Ordnung und Ganzheit (David Bohm)
- neutraler Monismus: quantisierte Information (John A. Wheeler, Anton Zeilinger)
- Quantenreduktionismus: Bewußtsein basiert auf Identität räumlicher Ganzheiten wie Bose-Einstein-Kondensat (Ian N. Marshall)
- Gehirn ist Quantencomputer (Michael Lockwood)
- Quanteneffekte an Synapsen als Schlupflöcher für den Eingriff eines nichtphysischen Geistes in das Kausalgewebe der Natur (Pascual Jordan, Henry Margenau, Hans Jonas, John C. Eccles, Friedrich Beck)
- neue Physik (Quantengravitationstheorie) nötig zum Verständnis von Bewußtsein (Roger Penrose)
- Quantenkohärenzen in Mikrotubuli als Bewußtmacher (Stuart Hameroff, Roger Penrose)
- Panpsychismus: Bewußtsein schon bei Elementarteilchen (Alfred N. Whitehead, Andrew A. Cochran, Abner Shimony)
- Überwindung des Psyche-Soma-Dualismus in der Medizin (Friedrich Schmahl, Carl Friedrich von Weizsäcker)
- Quantentheorie als Erklärungsansatz für Psi-Phänomene (Robert Jahn, Brian Josephson)
- alles hängt mit allem zusammen und hat Sinn (Fritjof Capra)
Quantentheorie 4
Ein Wirkungsquant fliegt durch das Dorf
es sucht das Hirn des Herrn von Korf.
Es findet dort in dem Gewühl
ein ganz bestimmtes Molekül.
Von Korf ist grad in schwerer Not:
"Eß' Wurst- ich oder Käse-Brot?"
Das Quant, das wirft sich in die Brust:
"Du glaubst, du willst! Allein: Du mußt!
Nie kannst die Freiheit du erringen.
Doch ich bin frei und kann dich zwingen!"
Elektron "9" sprach: "Spring' mich doch!"
Das Quant: "Ich überleg' mir's noch."
Dann hat durch es Elektron "8"
'nen akausalen Sprung gemacht.
Von Korf nahm daraufhin spontan
die Wurst und fing zu essen an
und nimmt die Sache ganz im Stillen
dann als Beweis für freien Willen.
Dem Quant hat das den Rest gegeben:
frei-willig schied es aus dem Leben.
B. Hassenstein
Quantentheorie 5
Quantensprünge im Gehirn - Schlupflöcher für den Geist?
John C. Eccles hat behauptet, ein nichtphysischer Geist könnte die Exocytose beeinflussen. Diese hängt von zahlreichen großen Proteinen in und bei den Vesikeln und der synaptischen Membran ab, die z.B. Fusionsporen formen. Es ist unwahrscheinlich, daß Quanteneffekte auf dieser Größenskala eine signifikante Rolle spielen können, also Konfigurationsänderungen bei Makromolekülen zu bewirken vermögen. Unter den bekannten präsynaptischen Bedingungen wirkt sich die Heisenbergsche Unschärferelation nur für Massen in der Größenordnung des Wasserstoffatoms und für Zeitskalen in der Größenordnung von Femtosekunden aus. Es ist völlig rätselhaft, wie solche winzigen Quanteneffekte die Exocytose auslösen könnten, d.h. die Membranen von Vesikel und der Präsynapse zu öffnen vermögten. Noch problematischer: Wenn die Quanteneffekte diesen Einfluß tatsächlich haben, dann ist es unverständlich, wieso nichtkausaleEreignisse die neuronalen Aktivitäten nicht durcheinanderbringen und damit die Organisation von Wahrnehmung und Verhalten stören. Und die Quanteneffekte sind der gängigen Interpretation nach unverursacht, d.h. reiner Zufall. Einerseits braucht Eccles die indeterministische und probabilistische Natur der Quanteneffekte, um die Verletzung der physikalischen Erhaltungsgrößen zu vermeiden. Doch andererseits ist die Lücke im Kausalnexus der Natur notwendig, aber nicht hinreichend für den interaktionistischen Dualismus: Willensfreiheit kann sich nicht allein auf den reinen Zufall gründen. Eccles zufolge ist das Selbst in der Lage, die Wahrscheinlichkeitsverteilung der Quanteneffekte zu verändern (oder spezifische Quantensprünge auszuwählen) und dadurch die neuronalen Aktivitäten auf eine zielgerichtete Art und Weise zu beeinflussen. Aber das impliziert eine Verletzung der quantenmechanischen Wahrscheinlichkeitsverteilung, die rein statistisch ist, und führt letztlich wieder sogenannte verborgene Parameter ein, die die Quantenprozesse bedingen. Doch die Existenz solcher verborgener Variablen, und nichts anderes wären die Eccles'schen Geister, ist experimentell widerlegt. Außerdem gibt es doch ein Problem mit den physikalischen Erhaltungssätzen: Nach interaktionistischer Auffassung muß der Geist hinter den Kulissen Informationen mit dem Gehirn austauschen. Aber die gegenwärtige Physik postuliert entweder eine Transformation von Materie oder Energie bei informationsverarbeitenden Prozessen, oder diese Prozesse können überhaupt keine Information übertragen. Und selbst wenn die Quanteneffekte wirksam wären und den Satz der Energieerhaltung aufgrund der Heisenbergschen Energie-Zeit-Unschärfe nicht verletzen würden, haben die corticalen Aktivitäten bekanntlich einen enormen Energieverbrauch, wie Messungen mit Positronenemissionstomographie und funktioneller Kernspinresonanztomographie zeigen, und zwar selbst bei bloßen Vorstellungen. Warum sollten und wie können also winzige Quanteneffekte die höchsten Hirnfunktionen ohne Energie in Gang setzen? Und selbst wenn sie es könnten: Wie würde das Eccles'sche Selbst es schaffen, Myriaden von Vesikeln mit Transmittern bei der Exocytose zu dirigieren, ohne Wahrnehmung, Denken und motorische Kontrolle zu beeinträchtigen oder völlig zu unterbrechen? Das ist das klassische Problem von Jordans Verstärker-Hypothese. Und Eccles hat eine Verstärkung postuliert, weil seine hypothetischen Quanteneffekte sonst ineffektiv wären. Selbst wenn sich die ferngesteuerten Quanteneffekte wirklich lawinenartig aufschaukeln können und diese Verstärkungseffekte nicht zum Chaos führen würden, müßten ihre Wirkungen extrem genau vorausberechnet werden. Dann müßte das Selbst aber mehr wissen, als selbst die Quantentheorie erlaubt (aufgrund der Heisenbergschen Unschärferelation). Es müßte unendlich schnell rechnen können, denn das Gehirn ist ein komplexes System mit einer starken nichtlinearen Dynamik auf ganz verschiedenen Ebenen, die in der Praxis nicht einmal von den größten denkbaren Computern exakt berechnet werden könnte.
Copyright 2000 Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg
Quelle