Licence: CC BY-NC-ND Abstract Diese theoretische Untersuchung dekonstruiert das Wesen des Lichts und definiert es im Rahmen der Generellen Informationstheorie (GIT) nach Dieter Walter Liedtke als rein informationelles Phänomen. Durch die Erweiterung der einsteinschen Äquivalenz zur evolutionären Weltformel i = E = mc² wird Information (i) als die primäre, zeitlose Ur-Substanz des Kosmos identifiziert. Die Arbeit formuliert eine fundamentale evolutionäre Ergänzung der Transaktionsinterpretation der Quantenmechanik (TIQM) nach John G. Cramer. Während Cramer einen mechanisch-sequenziellen „Handschlag“ zwischen retardierten und avancierten Wellen postuliert, erweitert diese Studie den Ansatz um das Prinzip der Simultanen Oszonanz: Die zeitlos gespiegelte Informationswelle und die zeitpfeilgerichtete Energiewelle oszillieren während ihrer gesamten raumzeitlichen Reise als untrennbare Einheit. Dieser simultane Mechanismus ist aus Gründen der evolutionären Zeiteffizienz und der Systemdynamik kognitiver Prozesse zwingend notwendig, da das Durchlaufen linearer Suchläufe (beispielsweise im Gehirn bei Gefahr) biologisch ineffizient wäre. Solange sich Licht im Vakuum bewegt, verbleibt es in dieser ungetrennten Oszonanz und ist für den Beobachter vollkommen unsichtbar und dunkel. Erst das Zusammentreffen mit Materie wirkt wie eine explizite „Fragestellung“, die diese Schwingung lokalisiert, den Zeitpfeil aktiviert und ein diskretes Teilchen (Photon) als physische Synapse im kosmischen Netzwerk einrasten lässt. Dieser identische Algorithmus ergänzt unser Verständnis des menschlichen Gehirns: Die Konfrontation mit einem kognitiven Problem zwingt die unbewusste, zeitlose Informationsmatrix zur instantanen Resonanz, schaltet biologische Synapsen (Neuroplastizität) und erzeugt eine geistige Aufhellung (Erkenntnis). Die Arbeit schließt die ontologische Erklärungslücke zwischen Geist und Materie und beschreibt das Universum als ein selbst-erhellendes, evolutionäres Informationsnetzwerk, dessen sichtbare Bausteine – von Photonen über Atome bis zu Planeten – die materialisierten Synapsen eines wachsenden, universellen Bewusstseins sind.
Licence: CC BY-NC-ND Abstract Diese theoretische Untersuchung dekonstruiert das Wesen des Lichts und definiert es im Rahmen der Generellen Informationstheorie (GIT) nach Dieter Walter Liedtke als rein informationelles Phänomen. Durch die Erweiterung der einsteinschen Äquivalenz zur evolutionären Weltformel i = E = mc² wird Information (i) als die primäre, zeitlose Ur-Substanz des Kosmos identifiziert. Die Arbeit formuliert eine fundamentale evolutionäre Ergänzung der Transaktionsinterpretation der Quantenmechanik (TIQM) nach John G. Cramer. Während Cramer einen mechanisch-sequenziellen „Handschlag“ zwischen retardierten und avancierten Wellen postuliert, erweitert diese Studie den Ansatz um das Prinzip der Simultanen Oszonanz: Die zeitlos gespiegelte Informationswelle und die zeitpfeilgerichtete Energiewelle oszillieren während ihrer gesamten raumzeitlichen Reise als untrennbare Einheit. Dieser simultane Mechanismus ist aus Gründen der evolutionären Zeiteffizienz und der Systemdynamik kognitiver Prozesse zwingend notwendig, da das Durchlaufen linearer Suchläufe (beispielsweise im Gehirn bei Gefahr) biologisch ineffizient wäre. Solange sich Licht im Vakuum bewegt, verbleibt es in dieser ungetrennten Oszonanz und ist für den Beobachter vollkommen unsichtbar und dunkel. Erst das Zusammentreffen mit Materie wirkt wie eine explizite „Fragestellung“, die diese Schwingung lokalisiert, den Zeitpfeil aktiviert und ein diskretes Teilchen (Photon) als physische Synapse im kosmischen Netzwerk einrasten lässt. Dieser identische Algorithmus ergänzt unser Verständnis des menschlichen Gehirns: Die Konfrontation mit einem kognitiven Problem zwingt die unbewusste, zeitlose Informationsmatrix zur instantanen Resonanz, schaltet biologische Synapsen (Neuroplastizität) und erzeugt eine geistige Aufhellung (Erkenntnis). Die Arbeit schließt die ontologische Erklärungslücke zwischen Geist und Materie und beschreibt das Universum als ein selbst-erhellendes, evolutionäres Informationsnetzwerk, dessen sichtbare Bausteine – von Photonen über Atome bis zu Planeten – die materialisierten Synapsen eines wachsenden, universellen Bewusstseins sind.
In diesem zentralen Kapitel wird gezeigt, dass das Unbewusste und darauf aufbauend das Bewusstsein mit seinen Gedanken naturwissenschaftliche Realitäten sind. Deshalb gehen davon auch reale Wirkungen aus. Unser Bewusstsein ist etwas anderes als unser Gehirn, obwohl beide, solange wir leben, eine unauflösliche Einheit bilden. Bewusstsein ist aus naturwissenschaftlicher Sicht diejenige Form von Quanteninformation, die sich selbst erlebt und kennt. Das Bewusstsein beruht auf der unauflösbaren Einheit von Hard- und Software in der biologischen Informationsverarbeitung. Es ermöglicht, Informationsmodelle zu erzeugen und anhand der Modelle des Körpers und der Umwelt auch Handlungen zu planen. Mit den quantischen Eigenschaften der Psyche kann u.a. die Bindung der Wahrnehmungen aus den verschiedenen Sinnesorganen zu einem Objekt erklärt werden. Die Quantentheorie liefert die objektiven Aussagen über die universellen Quantenstrukturen, welche die Existenz von Bewusstsein ermöglichen, und sie zeigt weiterhin, warum die Inhalte eines jeden individuellen Bewusstseins zwangsläufig subjektiv sind. Diese Eigenschaft des „Privat-Seins“, des subjektiven Empfindens, wird üblicherweise mit dem Begriff der „Qualia“ gekennzeichnet. Spezielle Bewusstseinszustände wie u.a. Traum, Flow und Meditation, werden in das naturwissenschaftliche Verstehen einbezogen.
Nach dem Energieerhaltungssatz kann Energie nicht erzeugt, sondern nur von einer Form in eine andere umgewandelt werden. In einem energetisch abgeschlossenen System muß dem-gemäß die Gesamtenergie konstant bleiben. Die vorliegende Arbeit geht grundsätzlich der Frage nach, inwieweit dieses physikalische Gesetz überhaupt noch Platz für eine mentale Energie läßt, zumal eine solche Wirkkraft unausweichlich eine Überdetermination zu begrün-den scheint. Ich stelle u.a. jene Überlegungen der Quantenphysik vor, welche mir geeignet erscheinen, die Kluft zwischen Geist und Materie überbrücken zu können. Zum einen des-halb, weil sie die althergebrachte Vorstellung von Materie in Frage stellen, zum anderen, weil sie die Einwirkung des Bewußtseins und das Verhältnis von Objektivität und Subjektivität beleuchten. Es scheint, als besäße das Elektron keine vom Bewußtsein unabhängigen Eigenschaften und als wäre in der Quantentheorie das Objekt vom Subjekt prinzipiell nicht zu trennen. Die Quantenmechanik kennt nichtlokale Verbindungen, die weder mit Energie, noch mit Mechanik, noch mit herkömmlicher kausaler Verknüpfung zu tun haben. Die Nichtlokali-tät stellt somit eine Korrelation, nicht einen kausalen Zusammenhang, wie etwa eine Wechsel-wirkung dar, da keinerlei Signalübertragung stattfindet. Die kausale Geschlossenheit der Welt kann nur soweit Gültigkeit beanspruchen, als physikalische klassische Systeme als umfassende Darstellungen der Welt angesehen werden können. Die Vorstellung, dass subatomare Teilchen einen bestimmten Weg in Raum und Zeit verfolgen und miteinander interferieren, ist eine rein mentale Konstruktion, die unserem Vor-stellungsvermögen entgegenkommt, aber keinerlei zusätzliche Erklärungskraft besitzt. In der gegenwärtigen Diskussion über mentale Verursachung wird oftmals von einem Dualismus ausgegangen, der meines Erachtens von einem überholten Materiebegriff ausgeht. Bei der „Mental-Energie“ ist das Mentale letztlich nicht geheimnisvoller, als die Energie, und die kausale Verbindung des Geistes mit sogenannter „Materie“ nicht rätselhafter und unmöglich-er, als zwei korrelierte Teilchen, die unabhängig von Zeit, Raum verschränkt sind. Ich versuche zu argumentieren, dass es ein “irreduzibles Selbst“ gibt und dass sein „Innewerden“ möglich ist, ansonsten wir gar nicht wissen und spüren könnten, dass wir beispielsweise zentriert sind, wenn wir in unserer Mitte sind. Die Mitte existiert nur „mitten-drin“, als Mitte von Etwas. Ich behaupte, dass es möglich ist, dieses Etwas durch das „Prinzip der transzendenten Resonanz“, als das nicht hintergehbare Selbst, verstärkt wahrzunehmen. Es ist ein Gewahrwerden seiner selbst durch „Spiegelung“ oder „Nachhall“ des Unverstellten und Wesentlichen in besonderen Lebensmomenten. Das Eigentliche um uns bringt durch Resonanz das Eigentliche in uns zum Anklingen: Das „eigentliche Selbst“. Wir erleben uns selbst nicht nur als Erlebende und Erkennende dieser transzendenten Momente, sondern gleichzeitig auch als feststellende, auffindende, wesensgleiche und somit auf gleicher Wellenlänge seiende Kategorisierer und Bewerter dieser besonderen essentiellen Qualität, die um diese Wertkategorie auch wissen. Auf diese Weise bekommen wir neben diesem erkennenden auch ein ergänzendes Wissen von uns selbst, weil ein Teil unseres „ontischen Ergänzungsbedarfs“ den wir als „ex-zentrische“ Wesen haben, gedeckt wurde. In diesem transzendenten Sich-Selbst-Erleben stillen wir unsere Sehnsucht nach Ganzheit. Die Sehn-sucht nach dieser Komplettierung ist die Quelle aller mentalen Energie.
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.
Die Quanteninformationstheorie bildet eines der faszinierendsten Arbeitsgebiete der modernen Physik. Ihre rasche Entwicklung ist von den sich eröffnenden technischen Möglichkeiten getrieben. Carl Friedrich von Weizsäcker hat jedoch bereits in den 60er Jahren einen tiefliegenden Zusammenhang zwischen einer radikalen Quantentheorie binärer Alternativen, also Quantenbits, und der Struktur der Raum-Zeit vermutet und in Form einer "Quantentheorie der Ur-Alternativen" zu entwickeln versucht. In der vorliegenden Arbeit wird den diesbezüglichen philosophisch-begrifflichen wie auch physikalisch-mathematischen Zusammenhängen von Informations- und Quantentheorie nachgespürt. Ausgehend von Weizsäckers "Ur-Theorie" wird eine abstrakte Theorie der Information in transzendentalphilosophischer Perspektiye entworfen und es werden die begrifflichen Implikationen einer konsequenten Quantentheorie der Information umfassend diskutiert. Das Buch präsentiert eine Fülle von Material aus den Bereichen Informations- und Komplexitätstheorie, Quantentheorie und Raum-Zeit-Physik sowie der Philosophie der Physik. Seine philosophische Kernthese ist, dass der Begriff der Information im Wesentlichen aus den zwei apriorischen Vorannahmen der Unterscheidbarkeit und Zeitlichkeit begründbar ist.
Ist die Information die Grundlage allen physischen Seins und damit fundamentaler als Materie und als Quantenobjekte? Diese Frage wird seit Jahrzehnten in unterschiedlichen Facetten diskutiert. Wir geben einen Überblick über diese Diskussion und ihren Verlauf über etwa hundert Jahre hinweg. Thermodynamik, Relativitätstheorie und Quantenphysik stehen dabei im Mittelpunkt. Auch einige faszinierende Experimente wie das „Welcher Weg“-Experiment, das sich gedanklich bis in die Tiefen des Kosmos ausdehnen lässt, gehören zu diesen Betrachtungen, die mit der Vorstellung der Quanteninformation enden. Behandelte Themen und Fragen:
Alle bisher durchgeführten quantenmechanischen Experimente stimmen mit der Annahme überein, dass die Gesetze der Quantenmechanik auf jedes denkbare System anwendbar sind. Arbeitshypothese der vorliegenden Arbeit ist die Möglichkeit, diese Gesetze auf den Zeitbegriff auszudehnen, und damit auch auf die Art und Weise, in der zwei oder mehr Ereignisse sich gegenseitig kausal beeinflussen können. Dies hätte weitreichende Konsequenzen, da unser Verständnis der Welt auf der Erforschung kausaler Beziehungen zwischen physikalischen Phänomenen beruht. Ziel dieser Arbeit war es daher, die Folgen der Anwendung der Quantenmechanik auf die kausalen Beziehungen zwischen Ereignissen und auf den thermodynamischen Zeitpfeil zu untersuchen. Der erste Teil dieser Arbeit befasst sich mit drei Studien, die unter den Begriff der ``unbestimmten Kausalität'' fallen, also der Vorstellung, dass die kausale Struktur zwischen Ereignissen in quantenmechanische Unbestimmtheit gelangen kann. (Es wird erwartet, dass ein solches Szenario in Systemen auftritt, für die sowohl die Quantenmechanik als auch die Allgemeine Relativitätstheorie relevant sind und in denen die Metrik und folglich die kausale Struktur ``fluktuieren'' kann). In quantenoptischen Experimenten können solche unbestimmten Kausalstrukturen durch Überlagerung von Trajektorien realisiert werden, entlang derer zwei Ereignisse in alternativen Ordnungen auftreten. In diesem Sinne bildet die erste Arbeit in der vorliegenden Dissertation den ersten experimentellen Nachweis der unbestimmten Kausalität eines Prozesses durch die Messung eines `kausalen Zeugen', d.h. eines mathematischen Objekts welches ein bestimmtes Ergebnis erzeugen soll, wenn ein Prozess nicht mit einer definierten kausalen Ordnung übereinstimmt. Anknüpfend an diese erste Studie bezieht sich die zweite Arbeit auf den experimentellen Nachweis einer unbestimmten Kausalität außerhalb des Quantenformalismus. Dies wird erreicht, indem die Unvereinbarkeit der experimentellen Ergebnisse mit einer Klasse verallgemeinerter probabilistischer Theorien gezeigt wird, in denen die Lokalität und definierte zeitliche Ordnungen vorausgesetzt werden. Die als Drittes vorgestellte Arbeit erweitert nunmehr mit der Untersuchung einer Vielzahl von Quantenüberlagerungen von Trajektorien den Beobachtungsbereich über das Konzept der unbestimmten Kausalität hinaus. Es zeigt sich, dass Trajektorien für die Quantensteuerung der Ordnung verschiedener verrauschter Kommunikationskanäle anwendbar sind. Dies bildet jedoch nicht die einzige Konfiguration, in der diese letzteren angeordnet werden können. So wurden in dieser dritten Arbeit verschiedene Möglichkeiten für die Überlagerung zweier Trajektorien durch ein Paar verrauschter Kanäle experimentell verglichen. Es wurde gezeigt, dass alle diese Möglichkeiten die Übertragung von Informationen durch die Kanäle selbst dann ermöglichen, wenn standardmäßige Quantenkommunikationsprotokolle (bei denen sich ein System entlang einer wohldefinierten Trajektorie bewegt) versagen. Der zweite Teil dieser Dissertation umfasst zwei Arbeiten, die sich auf das Gebiet der Quanten- Thermodynamik beziehen. Das Bindeglied zwischen diesem und dem vorherigen Teil der Arbeit findet sich im Konzept des thermodynamischen Zeitpfeils und seiner Richtungsabhängigkeit. Tatsächlich erlaubt es der zweite Hauptsatz der Thermodynamik, eine positive (negative) Entropieänderung in einem thermodynamischen Prozess mit der zeitlichen ``Vorwärts-'' (``Zeitumkehrung'') Richtung zu assoziieren. So wird in der vierten Arbeit dieser Dissertation vorgeschlagen, dass die Quantenmechanik sogar Quantenüberlagerungen zwischen thermodynamischen Prozessen erlaubt, welche zwei entgegengesetzte Entropievariationen ergeben. Damit wird die Existenz von Prozessen mit einem unbestimmten Zeitpfeil ermöglicht. Im Detail konzentriert sich diese Arbeit auf die Frage, ob solche Überlagerungen beobachtbare Konsequenzen haben und wie eine wohldefinierte Zeitachse entsteht, wenn geeignete Messungen der Entropieproduktion durchgeführt werden. In dieser Hinsicht zeigt sich dass, wenn für die Entropieproduktion große Werte (im Absolutbetrag) gemessen werden, dies zu einer effektiven Projektion der Quantenüberlagerung der thermodynamischen Zeitpfeile auf eine wohldefinierte zeitliche Richtung führt. Geht es hingegen um kleinen Entropieproduktionswerte, so spielen Interferenzeffekte eine wichtige Rolle für die Definition der Art des thermodynamischen Prozesses. Sie können beispielsweise zur Beobachtung von Arbeitswahrscheinlichkeitsverteilungen eines Prozesses führen, der stärker oder leichter umkehrbar ist als die einzelnen Prozesse, welche die Überlagerung bilden, oder auch jede klassische Mischung daraus. Die letzte Studie dieser Dissertation schließlich knüpft an die in der vorhergehenden Arbeit verwendeten Methoden an. Bei all den genannten Arbeiten geht es um die Anwendung sogenannter `thermodynamischer Fluktuationssätze'. Mit Hilfe thermodynamischer Fluktuationen wird es möglich, die Differenz der freien Energie zwischen zwei Gleichgewichtszuständen mit der Arbeit an einem System in Beziehung zu setzen, welches aus einem Gleichgewicht getrieben wird. Im Kontext der Quantenmechanik bildet die Definition von Arbeit ein nicht-triviales Konzept. Daher wurde in dieser letzten Arbeit ein einfaches interferometrisches Schema aufgestellt, welches unter Ausnutzung der Fluktuationstheoreme eine direkte Schätzung der Arbeitsverteilung und der durchschnittlichen Arbeit, die während eines isothermischen thermodynamischen Prozesses dissipiert wird, erlaubt. Die Untersuchung unbestimmter Kausalstrukturen und des Zeitpfeils führt zur Erschließung neuer Aufgabenstellungen in der Quanteninformation und der Quantenthermodynamik. Sie ist auch als methodisches Werkzeug für die Entwicklung zukünftiger Quantentheorien der Schwerkraft geeignet. Die theoretische Formulierung und experimentelle Realisierung dahingehender Ansätze, wie sie in der vorliegenden Arbeit unternommen werden, kann zur Grundlage für ein tieferes Verständnis der Rolle der Zeit in den grundlegenden physikalischen Theorien werden. In meinen Augen ist sie von zentraler Bedeutung für künftige konzeptionelle Wendepunkte in der Wissenschaft.