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Das Gehirn

Samstag, 13. März 2010

[Dieser Eintrag ist im Wesentlichen ein leicht überarbeiteter Repost eines meiner Beiträge aus dem alten elBloggo und die Fortsetzung von „Ein Gedankenexperiment“ und  „Newton, Licht, Quanten und billardspielende Roboter„]

Heute wollen wir uns hauptsächlich mit einer Frage beschäftigen: Wie funktioniert ein (menschliches) Gehirn?

Unbestritten ist das Gehirn ein hochkomplexer Gegenstand. Nicht nur sorgt es für „selbstverständliche“ Dinge wie Atmung und Herzschlag, es spendet uns auch (jedenfalls nach gegenwärtigem Stand der Wissenschaft) ein Bewusstsein, ein Gedächtnis, bewegt unsere Gliedmaßen und viel mehr. Ach ja, komplexe Mathematik und Physik kann es – so ganz nebenbei – auch, quasi ohne groß nachzudenken (man möge mir den Wortwitz verzeihen). Wer schonmal einen Ball gefangen hat und kurz darüber nachdenkt, dass alleine damit gewisse Berechnungen einhergehen müssen, wird mir da problemlos zustimmen.

Unser Gehirn besteht aus, wie sollte es auch anders sein, Gehirnzellen, genauer Nervenzellen. Man schätzt, dass ein normales Gehirn aus vielen Milliarden von Nervenzellen besteht (laut Wikipedia irgendwas zwischen 100 Milliarden und 1 Billion Stück). Zum (kruden) Vergleich: Heutige Prozessoren besitzen Transistoren in der Größenordnung von 1 Milliarde.  Die Komplexität des Gehirns ergibt sich dabei aus der Vernetzung dieser Zellen, Gehirnaktivität sind dabei elektrische Impulse, die zwischen den Zellen ausgetauscht werden. Die Wissenschaft hat herausgefunden, dass gewisse Bereiche des Gehirns tendenziell eher für gewisse Tätigkeiten zuständig sind, aber man ist weit davon entfernt zu verstehen, was in einem Gehirn passiert, genauso wie man auch schwerlich durch bloßes Betrachten eines Speicherbereiches im Computer auf den Speicherbereich in der Zukunft schliessen kann.

Nun ist das Gehirn, wenn man es auf zellularer Ebene betrachtet, zwar durchaus sehr komplex (und vermutlich zu komplex, als dass je ein anderes Gehirn der selben Größenordnung seine Funktionsfähigkeit komplett verstehen kann), aber alles andere als eine nichtdeterministische Maschine. Der Stand der Neurobiologie ist, dass alle Prozesse im Gehirn deterministisch sind, wenn man einen Gehirnzustand komplett erfasst hat, kann man (rein theoretisch) den nächsten Zustand daraus berechnen.

Nun haben wir ein Problem. Mit der Behauptung, dass das Gehirn streng deterministisch agiert, fällt quasi auch instantan unsere Überzeugung, so etwas wie einen freien Willen zu besitzen.

Was tun? Die Physiker haben eine Antwort darauf: Die Kopenhagener Deutung der Quantenphysik. Mit der Bohmschen Mechanik ist die Sache relativ klar, es existiert kein Zufall, also ist an dieser Stelle auch kein Platz für freien Willen. Die Viele-Welten-Theorie ist, wie so oft, ein Mittelding – im Endeffekt läuft sie aber auch auf die Nichtanwesenheit eines freien Willens heraus, da wir keinen Einfluss darauf haben, in welcher Welt wir „gelandet“ sind. Meiner Meinung nach ist das einer der beiden Hauptgründe, warum viele Physiker ohne konkrete Anhaltspunkte an den Zufall im tiefsten Innern unserer Atome glauben. Der andere Grund ist Gott, aber das spar ich mir für einen weiteren Blogeintrag auf. Man konstruiert sich also quasi einen Einfluss der Quantenmechanik auf die Gehirnaktivitäten und sucht das, was wir als freien Willen empfinden genau dort.

Nur leider stört nicht nur mich daran mindestens eine fundamentale Überlegung: Nehmen wir entgegen der physikalischen, chemischen und neurobiologischen Erkenntnisse an, dass quantenmechanische Verhaltensweisen einen Einfluss auf Gehirnzellen haben, die immerhin jeweils aus grob 100.000.000.000.000 (1014) Atomen bestehen. Wie genau soll nun das Gehirn als Bewusstseinsquelle Einfluss auf diesen, laut Kopenhagener Deutung, subatomaren Zufall haben? Wenn das Gehirn das kann, warum gelingt es dann unseren kompliziertesten Meßaufbauten nichtmal ansatzweise?

Die andere Hauptfrage, die ich an dieser Stelle fragen muss, ist: Warum glauben so viele Menschen wegen überwältigender wissenschaftlicher Beobachtungen an so etwas wie Evolution, aber im quasi gleichen Atemzug lehnen gefühlt mindestens genausoviele Menschen die Nichtanwesenheit des freien Willens trotz ebenso überwältigender wissenschaftlicher Beobachtungen ab?

Liebe Blogleser, jetzt seid ihr gefragt: Glaubt ihr (noch) an euren freien Willen? Habt ihr euch vor dem Lesen dieses Blogeintrages schonmal darüber tiefergehende Gedanken gemacht?
Und denkt dran: Wenn ihr den freien Willen verteidigt, dann nur, weil ihr nicht anders könnt 😉

Newton, Licht, Quanten und billardspielende Roboter

Sonntag, 21. Februar 2010

[Dieser Eintrag ist im Wesentlichen ein leicht überarbeiteter Repost eines meiner Beiträge aus dem alten elBloggo und die Fortsetzung von „Ein Gedankenexperiment„]

Ein Disclaimer voraus: Es wird Physikalisch. Keine Angst, Formeln wird es hier nicht geben, mir geht es eher um die Veranschaulichung von Grundprinzipien. Gewisse mir näher bekannte Physiker  werden mir mit diesem Eintrag vermutlich wieder vorwerfen, ich würde unzureichend vereinfachen, weil ich zugegebenermassen die Mathematik hinter einigem, über was ich schreiben werde, in der Tat nicht verstanden habe (und vermutlich auch nie verstehen werde). Euch Zweiflern sage ich lediglich: Macht halt selbst ein Blog. Oder kommentiert wenigstens sachbezogen!

Im Ernst: Ich werde hier nicht anfangen, hier Elementarphysik in Reinkultur zu betreiben, mir geht es um Anschauliches und Grundsätzliches. Sollte etwas, was ich verzapfe grob fsachl sein, bitte ich (ernstgemeint) um Korrektur. Sollte ich hingegen nur Feinheiten nicht erwähnen oder „zu grob“ verallgemeinern (in dem Sinne, dass die Grundaussage fsachl wird), werde ich den Eintrag nicht ändern.

So, genug vorgewarnt, wir reden heute unter anderem über Quantenmechanik, Einstein, Heisenberg, Nichtdeterminismus, viele Welten und den billardspielenden Roboter.

Die Quantenmechanik an und für sich ist unter (ernstzunehmenden) Physikern quasi unbestritten. Natürlich gibt es für Naturwissenschaften grundsätzlich keine Möglichkeit, Thesen formal zu beweisen, allerdings gibt es durchaus die Möglichkeit, Thesen durch ein widersprüchliches Experiment zu widerlegen. Der Punkt ist: Die grundlegenden Konzepte der Quantenmechanik in ihrer heutigen Form existieren seit, nunja sagen wir ungefähr 1935 und sie wurde seitdem in unzähligen Experimenten bestätigt und meines Wissens nach nie grundsätzlich experimentell widerlegt.

Das muss jetzt erstmal nix heissen, auch die Newton’sche Mechanik galt lange Zeit als die Theorie, nach der die Welt funktioniert, bis 1905 ein Werk namens „Zur Elektrodynamik bewegter Körper“ von einem Naseweis namens Albert Einstein erschien. Das Werk ist heutzutage besser als „spezielle Relativitätstheorie“ bekannt und postulierte, dass in unserer „normalen“ Welt die Newton’sche Mechanik zwar im Prinzip schon stimmt, das aber nicht an ihrer Allgemeingültigkeit liegt, sondern daran, dass wir es im Alltag eher selten mit Geschwindigkeiten zu tun haben, die nahe der Lichtgeschwindigkeit liegen. Dann nämlich passieren recht wilde Dinge, sagte der Herr Einstein, und auch seine These, dass die Lichtgeschwindigkeit die absolut höchste Geschwindigkeit ist und zwar in jedem Bezugssystem (insbesondere auch in bewegten), bringt auch heute noch Menschen zum Grübeln.

Kurz nachdem die Newton’sche Mechanik diesen einen schweren Schlag abbekommen hat (wobei, sie wie gesagt für quasi alle Alltagssituationen auch heute noch hinreichend exakt ist) kam auch schon der zweite Schlag in Form der Quantenmechanik. Das Wesentliche, was der bislang ungebildete Blogleser aus der Quantenmechanik selbst mitnehmen sollte, ist, dass nicht nur im großen Maßstab die Newton’sche Mechanik nicht mehr gilt, sondern dass diese auch im kleinen, atomaren Maßstab nicht gilt. So gibt es plötzlich (vor oder zwischen Messungen) keine Aufenthaltsorte von Elektronen mehr, sondern nur noch sogenannte Wahrscheinlichkeitswolken, die zeigen, wo sich das entsprechende Teilchen mit welcher Wahrscheinlichkeit aufhalten könnte. Ausserdem hat man festgestellt, dass die vorher „bekannte“ strikte Trennung zwischen Teilchen und Wellen nicht mehr aufrechterhalten werden kann und sowohl Licht manchmal Teilchencharakter haben kann (zum Beispiel Einsteins Arbeit zum Photoeffekt, die ihm den Nobelpreis bescherte), als auch Teilchen gelegentlich Wellencharakter zeigen können (beispielsweise Elektronen am Doppelspalt). Und nicht nur das, die Heisenberg’sche Unschärferelation besagt, dass wir, wenn wir durch eine Messung den exakten Aufenthaltsort eines Teilchens bestimmt haben, keine Möglichkeit mehr haben, seine Geschwindigkeit zu bestimmen und umgekehrt. Letzteres ist übrigens eine fundamentale, prinzipielle Unmöeglichkeit und basiert eben gerade nicht auf unzulänglichen Messmethoden.

Nun haben wir ein Problem. Bis zu diesem Zeitpunkt war der Sinn und Zweck, quasi das Selbstverständnis der Physik, zu verstehen, wie das Universum funktioniert. Actio und Reactio, klare Ursachen, klare Wirkungen. Plötzlich merkte die Physik, auf fundamentaler Ebene rein prinzipiell keine solche konkreten Aussagen mehr treffen zu können, alles unterhalb einer gewissen Schwelle konnte eventuell noch punktuell wahrgenommen werden, aber je kleiner die Strukturen wurden, desto unschärfer mussten die übrigen Randbeobachtungen werden. Über den Ursprung, quasi den „Grund“ für die Quantenmechanik kann nur spekuliert werden, nach heutigem Kenntnisstand wird man sie nie verstehen können. Ausser natürlich, jemand erfindet endlich den Heisenberg-Kompensator.

Kommen wir zum Kernpunkt dieses Blogeintrags: Man kann zwar, wie bereits erwähnt, nach heutigem Kenntnisstand keine definitive Antwort auf die Interpretation der Quantenmechanik geben (wobei es mich nicht wundern würde, wenn noch zu unseren Lebzeiten ein genialer Kopf mal wieder die komplette bekannte Physik umwirft und zeigt, dass es eben doch geht), aber das hat die Physiker nicht daran gehindert doch Theorien aufzustellen und – und das ist in meinen Augen die Abkehr vom traditionellen Wissenschaftsbegriff – einzelne Theorien anderen deshalb vorzuziehen, weil man daran glaubt. Nicht etwa, weil Messungen einer Theorie den Vorzug über die anderen geben, sondern hauptsächlich deshalb, weil man, nunja, es ganz doll so haben will und im Zweifelsfall die eigene Meinung auch mal mit einem resoluten Aufstampfen untermauert.

Drei Theorien haben sich hauptsächlich rausgebildet.

Die bei weitem populärste ist die sogenannte „Kopenhagener Deutung“, die die vorhin erwähnten Wahrscheinlichkeitswolken im Wesentlichen als naturgegebenen Nicht-Determinismus interpretiert. Man kann also ohne Messung den Aufenthaltsort eines Elektrons nicht bestimmen, weil er tatsächlich durch einen reinen Zufallsprozeß bedingt ist. In anderen Worten: „Wir können prinzipiell nicht nah genug rangehen, um es verstehen zu können, also ist es grundsätzlich ein nichtdeterministischer Vorgang“. Ausserdem kann es nicht schaden, an dieser Stelle laut „Nänänänänänänä“ zu singen und sich dabei die Augen und Ohren zuzuhalten.

Die zweitpopulärste Deutung ist die sogenannte Viele-Welten-Theorie. Sie besagt ganz im Sinne von Star Trek (und sehr bildlich und vereinfachend gesprochen), dass sich mit jeder „Entscheidung“, die das Elektron „trifft“ die Welt, das Universum und der ganze Rest in soviele neue Welten aufspaltet, wie es „Handlungsmöglichkeiten“ gibt. In meinen Augen hat diese Deutung zwar einige nette Implikationen (Interessierte Menschen seien hier zum Beispiel auf die Wikipedia verwiesen), widerspricht aber ganz fundamental dem, was meiner Meinung nach der Grundsatz für jede wissenschaftliche Arbeit sein sollte. Gemeint ist, was gemeinhin als Ockhams Rasiermesser bekannt ist, das Prinzip, dass „von mehreren Theorien, die den gleichen Sachverhalt erklären, die einfachste zu bevorzugen ist“. Und in jeder kleinsten Zeiteinheit das bestehende Universum in abermilliarden neue Universen aufzuspalten, das ist hoffentlich nicht nur in meinen Augen ein bisschen viel. Tatsächlich dürfte die Zahl auch für kleinste Zeiteinheiten so unglaublich gigantisch groß sein, dass wir Menschen uns keine Hoffnung drauf machen müssen, jemals auch nur die Größenordnung zu begreifen…

Deutung Nummer Drei ist, vereinfacht gesprochen, elzoidos billiardspielender Roboter. Es existiert also ein Determinismus dahinter, wir sind nur zu doof, ihn zu erkennen. Offiziell heisst die Theorie „Bohmsche Mechanik“ und wird hauptsächlich deshalb von den meisten Physikern abgelehnt, weil sie sogenannte verborgene Variablen enthält, also Variablen, die sich jenseits unserer Vorstellungskraft (ganz zu schweigen von Messbarkeit) befinden. Das mögen Physiker nicht, eben weil sie es nicht messen können und – wie wir alle wissen – was man nicht messen kann, existiert nicht. Punkt. Nänänänänänänä.

So, genug erzählt für heute, im nächsten Teil gehts dann weiter in Richtung Gehirn, (Nicht-)Determinismus und Gott.