Titelthema - Vorsicht! Quantenphysiker: Quantenspuk - wissenschaft.de
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Titelthema – Vorsicht! Quantenphysiker: Quantenspuk

Wie Quantenphysiker das menschliche Bewußtsein erklären wollen. Das bizarre Reich der kleinsten Teilchen gibt schon genug Rätsel auf. Doch nun soll es dort auch noch Schlupflöcher für geistige Vorgänge geben. Ist das Hokuspokus oder ein Durchbruch zu umwälzenden Erkenntnissen?

50 Jahre angestrengten Nachdenkens haben mich der Antwort auf die Frage ‚Was sind Lichtquanten?‘ nicht nähergebracht. Heute bilden sich Hinz und Kunz ein, es zu wissen. Aber da täuschen sie sich“, schrieb Albert Einstein 1951 in einem Brief. Inzwischen sind 50 weitere Jahre vergangen, aber Einsteins Diagnose stimmt noch immer. Die Verwirrung ist sogar größer geworden. Dabei sind „ Quantensprünge“ inzwischen Alltagssprachgut geworden. Doch auch das beruht auf Mißverständnissen – handelt es sich bei ihnen doch nicht um Riesensätze nach vorn, sondern um die winzigsten Zustandsänderungen, die überhaupt möglich sind. Um so größere Vorsicht ist angebracht, wenn selbst renommierte Wissenschaftler heute auf Quantensprünge für das Verständnis des menschlichen Geistes hoffen. Die Quantentheorie ist zusammen mit der Allgemeinen Relativitätstheorie die experimentell am besten bestätigte physikalische Theorie überhaupt. Trotzdem hat der Quantenphysiker und Nobelpreisträger Richard Feynman behauptet, daß – abgesehen von den praktischen Anwendungen – „niemand die Quantentheorie versteht“. Zu paradox und bizarr sind ihre Voraussagen und Interpretationen. Mysterien haben freilich eine magische Anziehungskraft, und so verwundert es nicht, daß sich unzählige Hobby-Philosophen und Geisterseher auf die Quantenphysik gestürzt haben. In den einschlägigen Internet-Diskussionsforen werden monatlich massenhaft Megabytes ausgetauscht. Über den Zusammenhang zwischen Geist und Quanten wird besonders intensiv spekuliert. „Bewußtsein ist ein Rätsel, Quantenphysik ist ein Rätsel. Wenn man zwei Rätsel hat, sind sie vielleicht in Wirklichkeit nur eines“, kommentiert lakonisch David Chalmers, Philosoph an der University of Arizona in Tucson. Das Rätsel der Quantenphysik hat bedeutende Physiker von Anfang an beschäftigt. Auch heute ist die „Quantenphilosophie“ nicht bloß ein Refugium für Außenseiter, sondern ein Turnierplatz renommierter Wissenschaftler. Allerdings hat sich das Diskussionsfeld inzwischen beträchtlich erweitert. Es geht nicht mehr nur darum, die physikalische Natur zu verstehen.

Für Esoteriker wie den Physiker Fritjof Capra beweist die Quantentheorie, daß „alles mit allem“ zusammenhängt und von Sinn durchflossen wird. Außerdem werden damit angeblich Naturwissenschaft und fernöstliche Religionen wie Mensch und Kosmos gleichermaßen versöhnt. Für Apoorva Patel sind Quantencomputer bereits in jeder lebenden Zelle am Werk: beim Ablesen der Erbinformation DNA. Sogar die Tatsache, daß es vier verschiedene DNA-Basen gibt, will der Physiker am Indischen Institut der Wissenschaften in Bangalore quantenmechanisch erklären. Die Bedeutung der Quantenphysik für die Medizin betonen der Physiker Carl Friedrich von Weizsäcker und der Tübinger Sozialmediziner Friedrich Schmahl. Die alte Trennung zwischen Geist und Körper, Subjekt und Objekt könne und müsse mit Hilfe der Quantentheorie überwunden werden, schrieben sie kürzlich im „ Deutschen Ärzteblatt“. Der australische Rechtsanwalt David Hodgson glaubt, mit Hilfe der Quantensprünge die Existenz und Wirkungsweise der menschlichen Willensfreiheit begreiflich machen zu können. Physiker wie Robert Jahn von der Princeton University und der Nobelpreisträger Brian Josephson von der University of Cambridge sehen sogar eine Chance, mit Hilfe der Quantentheorie parapsychologische Phänomene zu erklären – deren Existenz freilich von vielen Experten gar nicht anerkannt wird.

Diese kontroversen Ideen sind allerdings Nebenkriegsschauplätze. Auf dem zentralen Schlachtfeld haben sich die Kontrahenten die Schlagwörter Quantentheorie und Bewußtsein auf die Fahnen geschrieben. Die Extreme reichen vom radikalen Idealismus einerseits, wonach letztlich nur Geist existiert, bis zum hartgesottenen Naturalismus andererseits, der Bewußtsein als spezifische Hirnvorgänge deutet, für die Quantenprozesse im Grunde irrelevant sind. Quantenphysiker haben die Existenz vieler bizarrer Phänomene vorausgesagt, die inzwischen alle bestätigt sind: „Spukhafte Fernwirkungen“ (Einstein), mit sich selbst wechselwirkende Teilchen, räumliche und zeitlich verschmierte Zustände, Tunneleffekte, Energiesprünge, nicht verursachte Zufälle und eine Zwitterexistenz von Wellen und Teilchen. Eine der Hauptschwierigkeiten ist aber das sogenannte Meßproblem. Grob vereinfacht: Die klassische Physik handelt von Teilchen oder Feldern in Raum und Zeit, die es unabhängig von ihrer Wahrnehmung gibt, während die Quantenphysik bloß Beziehungen zwischen beobachtbaren Größen beschreibt. Ob die sprichwörtliche quantenmechanische Unschärfe dabei real ist (wie Werner Heisenberg annahm) oder ob sie unser Nichtwissen und Störeffekte bei der Messung zum Ausdruck bringt (wie Niels Bohr glaubte) oder aber von bislang noch unbekannten Größen determiniert wird (Albert Einsteins Auffassung), das ist ebenso umstritten wie die Frage, was überhaupt eine Beobachtung ist. Wo fängt eine Messung an, wo hört sie auf? Sind Meßapparate – einschließlich des menschlichen Gehirns – nicht auch physikalische Objekte, die den Gesetzen der Quantentheorie gehorchen?

Die unbefriedigende Situation hat schon Erwin Schrödinger gesehen, der die in der Wissenschaft am häufigsten zitierte Gleichung aller Zeiten gefunden hat: die nach ihm benannte Psi- oder Wellenfunktion. 1935 hat der Nobelpreisträger die paradoxe Situation mit einem Gedankenexperiment zu illustrieren versucht, das Furore machte: „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) auf makroskopische Objekte der Alltagswelt (etwa Katzen) ist. Aber viele Physiker und Philosophen haben Schrödingers Katze wörtlich genommen.

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Doch ist es wirklich sinnvoll 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 Anhänger, beispielsweise den Physiknobelpreisträger Eugene Wigner: Das Bewußtsein bestimmt das Sein oder, wie der anglikanische Bischof George Berkeley schon im 18. Jahrhundert behauptete: „Sein ist Wahrgenommenwerden.“ John Wheeler von der Princeton University, Schüler Bohrs und Einsteins, hat dieser idealistischen Auffassung mit seinem „ Partizipatorischen Anthropischen Prinzip“ gewissermaßen die physikalische Krone aufgesetzt: Das Universum hat nicht einfach den Beobachter erschaffen, sondern dieser auch das Universum. 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? Und: 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 neugierige Journalisten, um vom Schicksal des Tieres zu erfahren. Müßte sich der Mann, solange er ihnen nichts berichtet hat, für sie nicht seinerseits in einem Überlagerungszustand befinden zwischen jemandem, der eine tote Katze 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? Alwyn Scott, ein Mathematiker an der University of Arizona, weist auf weitere Schwierigkeiten hin: „Es ist fraglich, ob die Schrödinger-Gleichung auf Katzen überhaupt anwendbar ist, da sie Energie verbrauchen. Außerdem: Könnte ein Beobachter den Todeszeitpunkt der Katze nicht nachträglich feststellen, zum Beispiel durch die Messung des Sauerstoffverbrauchs in der Kiste?“ Andererseits, so Scott weiter, sind die Quanteneffekte bei makroskopischen Objekten viel zu gering. Die prinzipielle Meßungenauigkeit eines Tennisballs beträgt aufgrund der Heisenbergschen Unschärferelation beispielsweise nur ein hundertbillionstel Prozent, die von Nervenimpulsen ein zehnmillionstel Prozent. Mit anderen Worten: Quanteneffekte dürften das Gehirn eigentlich nicht stärker beeinflussen als ein Stampfen auf den Boden die Bahn der Erde. Ein Bonmont von Schrödingers Kollege Erich Hückel brachte die Verwirrung poetisch auf den Punkt: „Gar manches rechnet Erich schon / Mit seiner Wellenfunktion. / Nur wissen möcht man gerne wohl / Was man sich dabei vorstell’n soll.“ Für Henry Stapp vom Lawrence Berkeley National Laboratory ist das Bewußtseinsproblem dagegen schon gelöst, weil er die Quantentheorie für die einzige wissenschaftliche Theorie hält, die den Beobachter mit der Welt verknüpft. „Es gibt keine Materie oder Substanz mehr wie in der klassischen Physik. Beides hat sich aufgelöst und läßt ideenartige Dinge zurück. Die fundamentale Realität ist von Erfahrungen getränkt, die Physik handelt letztlich von subjektiven Erlebnissen.“

Euan J. Squire, Mathematiker an der britischen University of Durham, setzt den Akzent folgendermaßen: „Unabhängig von der Frage, ob das Bewußtsein die Quantentheorie braucht, gibt es gute Gründe anzunehmen, daß die Quantentheorie das Bewußtsein braucht. Jede Hoffnung, Bewußtsein mit Hilfe der Physik zu erklären, wird wahrscheinlich durch die Tatsache enttäuscht, daß wir die Physik nicht ohne das Bewußtsein verstehen können.“ Doch Wissenschaftler möchten auch das Bewußtsein verstehen – und wenn die Hirnforschung dazu nicht ausreicht, dann eben mit Hilfe der Physik. Das war die Ansicht des 1997 verstorbenen Medizin-Nobelpreisträgers John C. Eccles. Er glaubte nicht an einen rein neuronalen Ursprung des menschlichen Geistes, sondern betrachtete diesen als göttliche Schöpfung und eigenständige Existenzform. Doch wie kann dieser vermeintlich freie Geist in die schnöde Materie eingreifen? Eccles formulierte hierzu gemeinsam mit dem Physiker Friedrich Beck von der Technischen Hochschule Darmstadt 1992 eine kühne Hypothese: Es sind Quanteneffekte, die der Geist in Bewegung bringt oder zumindest ausnutzt. Eccles zufolge geschieht das an den Synapsen, den Verbindungsstellen zwischen den Nervenzellen. Das Bewußtsein soll über Quantensprünge Botenmoleküle 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. Eccles‘ Vorschlag stürzt allerdings in schier unlösbare Schwierigkeiten: Die synaptische Übertragung beruht auf vielen großen Proteinen, auf die sich Quanteneffekte bestenfalls marginal auswirken. Die Quantenphysik erlaubt zwar Lücken in den kausalen Gesetzmäßigkeiten, durch die der Geist in die Natur schlüpfen könnte, aber es gibt keinen Hinweis darauf, daß sich Quanteneffekte steuern lassen – rein physikalisch betrachtet sind sie der reine Zufall. Und wenn sich die Quanteneffekte wirklich lawinenartig aufschaukeln können – was Eccles annehmen muß, obwohl es im Nervensystem extrem unwahrscheinlich ist –, dann bleibt unverständlich, wieso die Wirkungen nicht völliges Chaos anrichten. An derselben Schwierigkeit ist schon die „ Verstärker-Hypothese“ gescheitert, mit der Physiknobelpreisträger Pascual Jordan in den dreißiger Jahren eine Quantentheorie der Willensfreiheit zu etablieren versuchte. Ein letztes Problem: Eccles zufolge darf der Geist hinter den Kulissen keine Energie verbrauchen, um nicht mit dem Energieerhaltungssatz in Widerspruch zu kommen. Bildgebende Verfahren zeigen aber, daß das Gehirn bei Bewußtseinsprozessen außerordentlich aktiv ist und enorme Energievorräte benötigt.

Aus einem anderen Betrachtungswinkel versucht sich Roger Penrose, ein hoch geachteter Mathematiker und Kosmologe an der Oxford University, einer Quantentheorie des Bewußtseins zu nähern. 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. Seine beiden Bücher „The Emperor’s New Mind“ und „ Shadows of the Mind“ (deutsche Titel: „Computerdenken“ und „ Schatten des Geistes“) von 1989 und 1994 sind internationale Bestseller geworden. Penrose verbindet darin das Mysterium des menschlichen Geistes mit dem großen Ziel der theoretischen Physik: einer Vereinheitlichung von Quantentheorie und Allgemeiner Relativitätstheorie. Diese 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 wie die Wissenschaftsphilosophin Nancy Cartwright sind Quantentheorien des Bewußtseins nicht nur ein unzulässiger physikalischer Reduktionismus, sondern bloßes Wunschdenken. Eine Theorie der Quantengravitation wird noch lange auf sich warten lassen, und ob darin das Bewußtsein eine Heimstatt erhält, ist mehr als fraglich. Inzwischen hat sich Penrose mit dem Narkosearzt Stuart Hameroff von der Uniklinik der University of Arizona verbündet, der schon früher mit abenteuerlichen Überlegungen zu Quanteneffekten im Gehirn von sich Reden machte. Er glaubt, daß „Mikrotubuli“ den Geist hervorzaubern. Diese Proteinfäden fungieren innerhalb der Nervenzellen als molekulare Transportbänder. Penrose und Hameroff meinen, daß diese sich – ähnlich wie Schrödingers zugleich tote und lebende Katze – häufig in „kohärenten Überlagerungszuständen“ befinden. Die 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 freilich niemand. Außerdem ist es extrem unwahrscheinlich, daß die Quanteneffekte einerseits lang genug von der Umgebung abgeschirmt bleiben, sich andererseits aber wohlgeordnet übers ganze Gehirn ausbreiten können. Auch physiologische Daten sprechen gegen eine Beteiligung der Mikrotubuli an Bewußtseinsvorgängen. Einstein war bis zu seinem Tod skeptisch gegen die „spukhaften Fernwirkungen“ und „Gespensterfelder“ der Quantenphysik. Sicherlich hätte ihn amüsiert, daß Quanteneffekte jetzt auch 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 der französische Schriftsteller 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.“

Rüdiger Vaas

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