Zeitschrift Bewusstseinswissenschaften. Transpersonale Psychologie und Psychotherapie
Quantum-Philosophical Ideas on Questions of Consciousness : Summary of a forum contribution at the symposium "Applied Consciousness Science - Science in the Service of Living" on 12 October 2012 in Bad Abbach
Die in der Quantenphysik beobachteten Phänomene führten zur Annahme neuer naturgesetzlicher Prinzipien. Diese Prinzipien können, wenn man sie von ihrem spezifischen materiellen Substrat losgelöst betrachtet, auf einer abstrakteren Ebene auch als neue Denkfiguren oder Denkwerkzeuge verstanden werden, durch die wir die Welt vielleicht anders betrachten und andere Zusammenhänge erkennen können. In diesem Sinne geht es hier insbesondere um die Frage, ob die abstrakten Denkfiguren der Nicht-Lokalität und Komplementarität neue Perspektiven auf Fragen im Zusammenhang mit dem Bewusstsein ermöglichen. Dazu wird jeweils knapp der quantenphysikalische Sachverhalt geschildert und dann versuchsweise eine Perspektive eingenommen, in der insbesondere das Geist-Körper Problem und sog. Psi-Phänomene als analoge oder isomorphe Strukturen betrachtet werden. Epistemologische und ontologische Probleme im Zusammenhang mit diesem Vorgehen und der Interpretation etwaiger Ergebnisse werden erwähnt, aber nicht gelöst.
Die in der Quantenphysik beobachteten Phänomene führten zur Annahme neuer naturgesetzlicher Prinzipien. Diese Prinzipien können, wenn man sie von ihrem spezifischen materiellen Substrat losgelöst betrachtet, auf einer abstrakteren Ebene auch als neue Denkfiguren oder Denkwerkzeuge verstanden werden, durch die wir die Welt vielleicht anders betrachten und andere Zusammenhänge erkennen können. In diesem Sinne geht es hier insbesondere um die Frage, ob die abstrakten Denkfiguren der Nicht-Lokalität und Komplementarität neue Perspektiven auf Fragen im Zusammenhang mit dem Bewusstsein ermöglichen. Dazu wird jeweils knapp der quantenphysikalische Sachverhalt geschildert und dann versuchsweise eine Perspektive eingenommen, in der insbesondere das Geist-Körper Problem und sog. Psi-Phänomene als analoge oder isomorphe Strukturen betrachtet werden. Epistemologische und ontologische Probleme im Zusammenhang mit diesem Vorgehen und der Interpretation etwaiger Ergebnisse werden erwähnt, aber nicht gelöst.
Im Kern vertrete ich mit dieser Dissertation die These, dass es von grosser Bedeutung für verschiedene wissenschaftliche Disziplinen sein könnte, die in der Quantenphysik gewonnenen Erkenntnisse gründlich zur Kenntnis zu nehmen und dass, darüber hinaus, einige Prinzipien der Quantentheorie einigermassen direkt und erkenntnisbringend auf andere Gegenstandsbereiche übertragen werden können. Die Ergebnisse meiner Arbeit legen meines Erachtens nahe, dass im Falle einer solchen Rezeption der Quantenphysik nicht nur mit Wissenszuwachs und erweitertem Verständnis zu rechnen ist, sondern auch mit Veränderungen der Wissenschaftskultur, sowie der Kultur im Allgemeinen. Neben einer kurzen Behandlung des Observablen- und des Wahrscheinlichkeitsbegriffs fokussieren sich meine Untersuchungen vorrangig auf die Konzepte Komplementarität und Verschränkung. Hierbei ergeben sich u. a. die folgenden spezifischen Thesen: Im Bezug auf Observablen: - Der Observablenbegriff, der besagt, dass jedwede Aussage über den Zustand eines Quants nicht unabhängig von einer den Zustand probabilistisch verändernden Interaktion mit diesem Quant getroffen werden kann, gilt strengenommen auch für makroskopische Elements des Universums Im Bezug auf Wahrscheinlichkeit: - Die in der Quantenphysik vorgefundene und damit für die gesamte physikalische Realität in gewissem Mass gültige probabilistische Unvorhersagbarkeit von Ereignissen kann sowohl als Resultat eines absoluten Indeterminismus wie auch eines absoluten Determinismus interpretiert werden. - Die heute vorherrschende einseitige Deutung im Sinne eines absoluten Indeterminismus ist daher logisch nicht zu rechtfertigen und vermutlich eher kulturell bedingt. Im Bezug auf Komplementarität: - Das Verhältnis von subjektivem Bewusstsein und materiellem Körper als Beschreibungen eines Individuums ist strukturell isomorph zu dem Verhältnis von Welle und Teilchen als Beschreibungen eines Quants. - Ein Aspekt dieser Isomorphie ist, dass sich in beiden Fällen die jeweiligen Beschreibungen gegenseitig ausschliessen und sich weder aufeinander reduzieren noch in einer logisch kohärenten und rational fassbaren „Metabeschreibung“ verbinden lassen. - Stattdessen eignen sich für eine solche Metabeschreibung, z.B. der Konzeptualisierung einer den beiden Beschreibungen zugrunde liegenden und sie dadurch verbindenden „Realität“, nur rational nicht fassbare Beschreibungen, wie z.B. „Nichts“. - Dies impliziert eine unüberwindbare Beschränkung für jeden Versuch, mittels des Verstandes alleine, endgültige und eindeutige Erkenntnis über die Realität jenseits der Gegensätze zu gewinnen. - Dies wiederum dient als Hinweis auf die potentielle Unverzichtbarkeit von transrationalen (sog. akategorialen oder nichtdualen) Bewusstseinszuständen für einen umfassenden Bezug zur Realität und eine dementsprechend adäquate Interaktion mit ihr. - Die bewusste Auseinandersetzung mit o. g. Beschränkung des Verstandes und die Erkundung von möglichen ergänzenden Erkenntniswegen erscheint mir, vor allem in Anbetracht unserer gegenwärtig eher einseitig verstandesbetonten (Wissenschafts-) Kultur, von erheblicher Bedeutung zu sein. Im Bezug auf Verschränkung: - Die Phänomenologie bestimmter, bisher wissenschaftlich nicht abschliessend erklärbarer Gegebenheiten (wie z.B. telepathischer, präkognitiver und psychokinetischer Erfahrungen oder die berichtete Wirksamkeit verschiedener alternativmedizinischer Verfahren) deckt sich mit der Hypothese, dass es sich dabei um makroskopische Verschränkungseffekte analog zu denen in der Quantenphysik handelt. - Dies gilt insbesondere auch für die Nichtreproduzierbarkeit der genannten Phänomene unter experimentellen Bedingungen, da eine zuverlässige Reproduzierbarkeit einer Verletzung des für Verschränkungskorrelationen geltenden Signalübertragungsverbots entspräche. - Damit stellt sich u. a. die Frage, wie beweis- bzw. falsifikationsorientierte Wissenschaftskulturen mit der Tatsache verfahren sollen, dass potentiell reale und durchaus auch plausible Phänomene prinzipiell nicht experimentell reproduzierbar sein könnten. - Grundsätzlich ist es aufgrund der angestellten Überlegungen jedenfalls notwendig, die Möglichkeit der Faktizität der fraglichen Phänomene auch in Abwesenheit von wiederholbaren experimentellen Bestätigungen anzuerkennen. - Dies beinhaltet die Möglichkeit, dass Kategorien wie Bewusstsein, Bedeutung, Intention und Sinn via nicht-kausaler Korrelationen als strukturierende Kräfte in der physischen Realität wirken, zusätzlich zu den bisher bekannten kausalen Kräften. - Des Weiteren deutet es auf die Möglichkeit hin, dass das subjektive Erleben als eine unverzichtbare Instanz der Wahrheitsfindung neben der objektiven, oder zumindest intersubjektiv abstrahierten, Erkenntnis anerkannt werden muss. - Die Wahrnehmung und theoretische Aufarbeitung dieser Möglichkeiten ist, meiner Ansicht nach, von grosser Bedeutung für unsere gegenwärtige (Wissenschafts-)Kultur, insbesondere in kausalistisch ausgerichteten oder beweis- bzw. falsifikationsorientierten Forschungsgebieten. Neben der Herausarbeitung dieser und anderer Thesen soll meine Arbeit auch einen leicht zugänglichen und dennoch faktisch korrekten Überblick über die relevanten experimentellen Beobachtungen der Quantenphysik zur Verfügung stellen, um deren Rezeption in physikfernen Disziplinen zu erleichtern.
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.
Es gibt die verbreitete Aussage, dass Quantenverschränkung, ein Schlüsselkonzept in der Quantenmechanik, kontraintuitiv sei. Diese Behauptung kann aber nicht nur Laien zugeschrieben werden, sondern findet sich auch bei Wissenschaftlern der Quantenmechanik wieder. Wie können wir uns das verständlich machen? Ich bearbeite dieses Thema auf Basis von vier miteinander verwobenen Gesichtspunkten: Erstens, auf einer theoretischen Ebene lege ich die hier relevanten Unterschiede zwischen der klassischen Physik und der Quantenmechanik vor. Dies geschieht hauptsächlich anhand des EPR Gedankenexperiment und den entsprechenden Standpunkten von Einstein et al. und Schrödinger. Zweitens, auf einer experimentellen Ebene veranschauliche ich die Kontraintuitivität der Quantenverschränkung im Zusammenhang mit einem spezifischen Forschungsfeld. Im Konkreten erfolgt dies anhand der Quanten-Optomechanik, genauer der Experimente der Forschungsgruppe „Quantum Foundations and Quantum Information on the Nano- and Microscale“ der Universität Wien. Drittens, auf einer persönlichen Ebene werte ich meine Interviews mit den Mitgliedern ebendieser Forschungsgruppe aus. Viertens, auf einer philosophischen Ebene mache ich mir Schlüsselkonzepte von Gaston Bachelards Epistemologie zunutze, wie zum Beispiel das epistemologische Profil oder einer durch Erfahrung belehrten Vernunft. Alle diese vier Aspekte werden zusammengenommen um zwei Aufgaben zu erfüllen: Einerseits die Konkretisierung der Besonderheiten und Merkmale der Kontraintuitivität im Kontext der Quantenverschränkung. Andererseits die Betrachtung der Frage ob und wie das Experimentieren mit Quantenverschränkung den Umgang mit dessen Kontraintuitivität erleichtert, zum Beispiel durch Gewöhnung. Im Großen und Ganzen stellt die Diplomarbeit keine tiefgreifende Analyse dieser beiden Themen zur Verfügung, sondern liefert eine plausible Annäherung an das Problem.
Das Phänomen der Verschränkung hat eine grundlegende Bedeutung in der Quantenphysik. Mathematisch is Verschränkung definiert durch die Inseparabilität von Quantenzuständen, die verwendet werden um Quantenobjekte zu beschreiben. Zustände, die nicht separabel sind, werden verschränkt genannt. Diese können räumlich getrennte Objekte oder verschiedene Eigenschaften desselben Objektes sein, welche nur durch einen gemeinsamen mathematischen Zustandvektor beschrieben werden können. Für die einzelnen Objekte gibt es keine separable Beschreibung. Physikalisch äußert sich Verschränkung zum Beispiel in nichtlokalen Eigenschaften, die auch experimentell nachgewiesen werden können. Klassische, lokale Konzepte, wie z.B. die Bell-Ungleichungen, werden durch Voraussagen der Quantenmechanik und aufgrund von Verschränkung verletzt, was man auch experimentell nachweisen kann. Man kann zeigen, dass klassische Konzepte der Lokalität und Realität hinderlich sind für ein besseres Verständnis der Natur. Verschiedene Anwendungen der Verschränkungstheorie haben breite Forschungsfelder eröffnet, wie zum Beispiel Quanteninformations-Theorie und -Verarbeitung und Quantenkryptographie. Die (spezielle) Relativitätstheorie ist eine klassische Theorie, die die Transformationseigenschaften zwischen Inertialsystemen beschreibt, in welchen die Gesetze der Physik unverändert bleiben. Diese Diplomarbeit beschäftigt sich mit der Verbindung von Verschränkung und Relativitätstheorie, beziehungsweise, bietet eine Einleitung in beide Felder und die neueren Forschungsgegenstände der relativistischen Verschränkungstheorie. Frühere Arbeiten auf diesem Gebiet haben gezeigt, dass Verschränkung im Allgemeinen nicht Beobachter-unabhängig oder Lorentz-invariant ist, wenn verschiedene Partitionen des Hilbertraumes betrachtet werden. Dies wurde anhand von zwei verschränkten Spin-1/2 oder zwei verschränkten Spin-1 Teilchen für verschiedene Quantenzustände gezeigt. Weiters präsentiert diese Diplomarbeit auch ein neues Beispiel für drei verschränkte Spin-1 Teilchen. Ihre relativistischen Transformationseigenschaften werden im letzten Kapitel untersucht. Es wird ebenfalls die Detektion von Vielkörperverschränkung für verschiedene inertiale Beobachter diskutiert.
Vorwort Das Studium der Natur ist das Studium der Physik. Oder nicht? Aus rein etymologischer Sicht weist die Physik genau darauf hin, nämlich physica oder τὰ φυσικά, abgeleitet von φύσις. Offensichtlich lässt diese Definition Raum für weitere Fragen, zunächst einmal, ob wir mit "natürlichen Dingen" eine Res, die völlig “verwurzelt” ist (im weiteren Sinne, aber wir könnten auch im strengen physikalischen Sinne sagen), in der materiellen, empirischen, beobachtbaren Welt verwurzelt ist, oder ob es notwendig ist, andere Phänomene (oder vielleicht sogar Noomena) aus anderen Systemen einzubeziehen. Außerdem, wenn wir uns darauf einigen, nur materiell-empirische Phänomene basieren vgh. studieren, bedeutet das Studium der Physik immer noch, etwas zu untersuchen, das nicht unbedingt statisch, sondern in Bewegung ist, wir könnten sogar sagen "im ständigen Bewegen" (im adverbialen Sinne, also nicht unbedingt "in ständiger Bewegung"). Dies liegt daran, dass φύσις von einer Reihe von Termen abgeleitet ist, die Bewegung, Wachstum und Entwicklung angeben, seit dem (rekonstruierten) präindogermanischen *bheue-. Ein Konzept, das dem der Natur ähnelt und offensichtlich mit dem Perfektpartizip ge/bor(e)n oder gebähren assoziiert ist . Daher stehen wir vor dem Problem, die (eine) Art der Konzeptualisierung zu wählen, die der Beobachtung der natürlichen Welt zugrunde liegt. Aus dieser Art der Wahl leitet sich die Art der Paradigmen ab, die in der Naturforschung verwendet werden, und damit auch die Art der Physik, die wir verwenden werden.
Die Quantentheorie stellt eines der anspruchsvollsten und erfolgreichsten Theorieprojekte der Menschheitsgeschichte dar. Sie ist eine, wenn nicht die Universaltheorie der Physik. Die Geschichte ihrer Deutung und die Auseinandersetzung um ihre Interpretation berühren jedoch weitaus mehr als nur das Feld der theoretischen Physik. Eine solche Theorieanlage zerstört ontologische Gewissheiten. Sie stellt den Beobachter in Frage und sie lässt uns ahnen, was zu erwarten ist, wenn wir uns in anderen Feldern mit komplexen Phänomenen beschäftigen, die mit der Beobachterproblematik infiziert sind. Als transklassische Physik ist die Quantentheorie gleichsam auf »Welten ohne Grund« gebaut und enttäuscht damit die Hoffnung, sich Sinnfragen durch die Physik oder Mathematik entledigen zu können. Homolog zu den Hochformen mystischer Reflexion kann uns die Auseinandersetzung um die Deutung der Quantenphysik allerdings eine Ahnung vermitteln, was das Geheimnis der konditionierten Koproduktion von System und Umwelt – Reflexion und Welt – für uns bedeuten kann, und uns möglicherweise dabei helfen, in Welten ohne Grund heimisch zu werden. Hierbei wird deutlich, dass hochgetriebene Theorie, die sich in ihren Abstraktionen in hohem Maße von der lebensweltlichen Wirklichkeit löst, nicht im Widerspruch zur Möglichkeit von Welterkenntnis steht. Im Gegenteil, erst ein hinreichend elaboriertes und mit eigenen, intern konditionierten Konsistenzzwängen ausgestattetes Theoriegebilde stellt die Bedingung zur Möglichkeit von Reflexion und Erkenntnisgewinnung dar.