Von der Quantenphysik zum Bewusstsein

Rudolf Haag

Matthias Bartelmann, Dieter Lüst, Andreas Wipf +3 more

Gary Bruno Schmid

Diese Arbeit geht folgender Frage nach: «Inwiefern sind auch quantenphysikalische Prozesse entscheidend für die Funktionsweise des Gehirns?» Um diese Frage theoretisch auf einer soliden empirischen Basis beantworten zu können, muss man die Eigenschaften der Signalleitung im Gehirn untersuchen. Diese erfolgt innerhalb der Neurone durch die Fortpflanzung von Spannungsänderungen in Form von Aktionspotenzialen, den sogenannten Spikes. Die Verteilung der elektrischen Spannung nach Durchlaufen des Axons kann Eigenschaften aufweisen, die nur quantenphysikalisch erklärbar sind, wenn die parenchymischen Dimensionen eines Axons, einer Synapse oder eines Mikrotubulus für die an der Depolarisation beteiligten Ionen genügend klein sind. Was «genügend klein» heisst, kann mithilfe der Quanteneffektgrösse erklärt werden, die von mir auf der Basis der de-Broglie-Wellenlänge definiert wird. Die geschätzten Quanteneffektgrössen der Ionen, die an der Bildung und Fortpflanzung der Spikes beteiligt sind, zeigen, dass mindestens ein Teil der Informationsverarbeitung im Gehirn auf quantenphysikalischen Prozessen basiert. In der Konsequenz können Denkprozesse teilweise auf Quanteneffekte zurückgeführt werden. Je grösser die Quanteneffektgrösse ist, desto eher werden Quanteneffekte im Verhalten des Systems zum Vorschein kommen. Bei Quanteneffektgrössen ≥ 1 muss die Quantenphysik einbezogen werden. Dies ist der Bereich der Quantenwelt. Quanteneffektgrössen zwischen ca. 0,01 und 1 bezeichnen nach meiner Definition die mesoskopische Welt. Für Quanteneffektgrössen kleiner als 0,01 haben wir es meines Erachtens eher mit Phänomenen der Alltagswelt der klassischen Physik zu tun. Aufgrund empirischer zellanatomischer Gegebenheiten wird eine Quanteneffektgrösse von ca. 0,01-0,5 für das Ca++-, K+- oder Na+-Ion in den verschiedenen Nervenleitungen (Mikrotubulus, synaptische Spaltbreite, Axon) geschätzt. Bis und mit diesen Einschätzungen sind alle Argumente streng wissenschaftlich haltbar. Was aus diesen Argumenten über die subjektive Wahrnehmung - über das «Bewusstsein an sich» - abgeleitet werden kann, wird im Ausklang kurz diskutiert. Im Sinne eines wissenschaftlich-spekulativen Erklärungsversuchs wird angenommen, dass Systeme, in denen die an den Signalleitungen innerhalb oder zwischen Zellen beteiligten Botenstoffe durchschnittliche Quanteneffektgrössen haben, die nicht im mesoskopischen Bereich liegen, nicht in der Lage wären, sich selbst zu reflektieren. Die Quantenphysik - richtig dosiert im Gehirn - scheint die Basis des Bewusstseins zu sein. Veränderungen der anatomischen Verhältnisse auf mikroskopischer Ebene (z.B. Veränderung der Myelinschicht oder der charakteristischen Dimensionen des Systems S (∂S)) würden eine Veränderung der «Dosis Quantenphysik» nach sich ziehen und das Bewusstsein beeinflussen.

Matthias Bartelmann, Björn Feuerbacher, Timm Krüger +3 more

Thomas Görnitz, Brigitte Görnitz

Untersuchungsmethoden, die auf Anwendungen der Quantentheorie beruhen, ermöglichen heutzutage, dem Gehirn beim Denken zuzusehen. Dabei erhält man viele interessante Bilder, mit denen die hirnphysiologischen Abläufe lokalisierbar und erkennbar werden. Solange man jedoch die Quantentheorie nicht auch auf die Interpretation der untersuchten Daten anwendet, bleibt ein Zugang zum Bewusstsein verschlossen. Man kann ohne die Quantentheorie lediglich Korrelationen zwischen Gehirn und psychischen Vorgängen finden, ohne dass man die Erklärungslücke zum Bewusstsein schließen könnte, denn weder die Hirnregionen noch die Biochemie erklären uns, wie das Bewusstsein zu verstehen ist. Dafür ist genau diejenige Änderung in den Grundlagen notwendig, die mit ihren Konsequenzen hier im Buch aufgezeigt wird. Intensive Forschungsarbeit hat das notwendige neue Verständnis vor allem von „Materie“ begründet.

Wolfgang Dür, Stefan Heusler

In diesem Artikel wird der Zugang zur Quantenphysik uber das einfachst mogliche Modellsystem, das Qubit, erweitert zu der Kombination von zwei Qubits. Dabei tritt erstmals das fur die Quantenphysik zentrale Konzept der Verschrankung auf, welches nicht nur seltsame Eigenschaften der Quantenphysik illustriert, sondern auch der Schlussel zum Verstandnis von modernen Anwendungen der Quantenphysik ist. Ahnlich wie im Falle des einzelnen Qubits wird dabei versucht, die Grundprinzipien von Verschrankung und deren Anwendung mit Hilfe einfacher Mathematik und Bilder zu vermitteln, wobei Visualisierungen eine zentrale Rolle spielen. Die behandelten Themen umfassen verschrankte Zustande, Operationen und Messungen. Die moglichen physikalischen Realisierungen und Anwendungen, insbesondere im Bereich der Quanteninformation, werden hier kurz angesprochen, und in einer weiteren Publikation vertieft diskutiert.