Niemand versteht, was Bewusstsein ist und wie es funktioniert. Auch die Quantenmechanik versteht niemand. Könnte dies mehr als nur ein Zufall sein? "Ich kann das eigentliche Problem nicht identifizieren, daher vermute ich, dass es kein wirkliches Problem gibt, aber ich bin nicht sicher, ob es kein wirkliches Problem gibt." Der amerikanische Physiker Richard Feynman sagte dies über die mysteriösen Paradoxien der Quantenmechanik. Heute verwenden Physiker diese Theorie, um die kleinsten Objekte im Universum zu beschreiben. Aber er könnte dasselbe über das komplizierte Problem des Bewusstseins sagen.
Einige Wissenschaftler denken, dass wir das Bewusstsein bereits verstehen oder dass es nur eine Illusion ist. Aber viele andere denken, dass wir dem Wesen des Bewusstseins noch nicht einmal nahe gekommen sind.
Ein mehrjähriges Rätsel namens "Bewusstsein" hat sogar einige Wissenschaftler dazu gebracht, es mit Hilfe der Quantenphysik zu erklären. Ihr Eifer stieß jedoch auf einiges an Skepsis, und das ist nicht überraschend: Es erscheint unvernünftig, ein Rätsel mit einem anderen zu erklären.
Aber solche Ideen sind niemals absurd und nicht einmal von der Decke.
Einerseits weigert sich der Verstand, sehr zum Entsetzen der Physiker, zunächst, die frühe Quantentheorie zu verstehen. Darüber hinaus wird vorausgesagt, dass Quantencomputer zu Dingen fähig sind, die herkömmliche Computer nicht können. Dies erinnert uns daran, dass unser Gehirn immer noch zu Leistungen fähig ist, die außerhalb der Reichweite künstlicher Intelligenz liegen. "Quantenbewusstsein" wird weithin als mystischer Unsinn lächerlich gemacht, aber niemand hat es vollständig zerstreuen können.
Die Quantenmechanik ist die beste Theorie, die wir zur Beschreibung der Welt auf der Ebene von Atomen und subatomaren Teilchen haben. Das vielleicht berühmteste seiner Geheimnisse ist die Tatsache, dass sich das Ergebnis eines Quantenexperiments ändern kann, je nachdem, ob wir uns entscheiden, die Eigenschaften der daran beteiligten Teilchen zu messen oder nicht.
Als die Pioniere der Quantentheorie diesen "Beobachter-Effekt" zum ersten Mal entdeckten, waren sie ernsthaft alarmiert. Es schien die Annahme zu untergraben, die jeder Wissenschaft zugrunde liegt: dass es da draußen eine objektive Welt gibt, die von uns unabhängig ist. Wenn sich die Welt abhängig davon verhält, wie - oder ob - wir sie betrachten, was würde "Realität" wirklich bedeuten?
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Einige Wissenschaftler mussten zu dem Schluss kommen, dass Objektivität eine Illusion ist und dass das Bewusstsein eine aktive Rolle in der Quantentheorie spielen muss. Andere sahen darin einfach keinen gesunden Menschenverstand. Zum Beispiel war Albert Einstein verärgert: Existiert der Mond nur, wenn man ihn betrachtet?
Einige Physiker vermuten heute, dass das Bewusstsein nicht die Quantenmechanik beeinflusst, sondern dass es sogar dank ihm zustande gekommen ist. Sie glauben, dass wir möglicherweise eine Quantentheorie brauchen, um zu verstehen, wie das Gehirn überhaupt funktioniert. Könnte es sein, dass so wie Quantenobjekte gleichzeitig an zwei Orten sein können, ein Quantengehirn gleichzeitig zwei sich gegenseitig ausschließende Dinge bedeuten kann?
Diese Ideen sind umstritten. Es kann sich herausstellen, dass die Quantenphysik nichts mit der Funktionsweise des Bewusstseins zu tun hat. Aber zumindest zeigen sie, dass uns die seltsame Quantentheorie dazu bringt, seltsame Dinge zu denken.
Das Beste ist, dass die Quantenmechanik durch ein Doppelspaltexperiment in das menschliche Bewusstsein gelangt. Stellen Sie sich einen Lichtstrahl vor, der auf einen Bildschirm mit zwei eng beieinander liegenden parallelen Schlitzen trifft. Ein Teil des Lichts geht durch die Schlitze und fällt auf einen anderen Bildschirm.
Sie können sich Licht als Welle vorstellen. Wenn Wellen wie in einem Experiment durch zwei Schlitze laufen, kollidieren sie - stören - miteinander. Wenn ihre Spitzen übereinstimmen, verstärken sie sich gegenseitig, was zu einer Reihe von schwarzen und weißen Lichtstreifen auf einem zweiten schwarzen Bildschirm führt.
Dieses Experiment wurde verwendet, um die Wellennatur von Licht über 200 Jahre lang zu zeigen, bevor die Quantentheorie aufkam. Dann wurde das Experiment mit einem Doppelspalt mit Quantenteilchen - Elektronen - durchgeführt. Dies sind winzige geladene Teilchen, Bestandteile eines Atoms. Auf unverständliche Weise, aber diese Teilchen können sich wie Wellen verhalten. Das heißt, sie werden gebeugt, wenn ein Partikelstrom durch zwei Schlitze fließt und ein Interferenzmuster erzeugt.
Nehmen wir nun an, dass Quantenteilchen nacheinander durch die Schlitze laufen und ihre Ankunft auf dem Bildschirm ebenfalls Schritt für Schritt beobachtet wird. Jetzt ist nichts mehr offensichtlich, was dazu führen würde, dass das Teilchen seinen Weg stört. Das Bild der auftreffenden Partikel zeigt jedoch immer noch Ränder.
Alles deutet darauf hin, dass jedes Teilchen gleichzeitig beide Schlitze passiert und sich selbst stört. Diese Kombination der beiden Pfade ist als Überlagerungszustand bekannt.
Aber hier ist was seltsam.
Wenn wir den Detektor in einen der Schlitze oder dahinter platzieren, können wir herausfinden, ob Partikel durch ihn hindurchtreten oder nicht. In diesem Fall verschwindet die Störung jedoch. Die bloße Tatsache, den Weg eines Partikels zu beobachten - auch wenn diese Beobachtung die Bewegung des Partikels nicht beeinträchtigen sollte - verändert das Ergebnis.
Der Physiker Pascual Jordan, der in den 1920er Jahren mit dem Quantenguru Niels Bohr in Kopenhagen zusammengearbeitet hat, drückte es so aus: "Beobachtungen verletzen nicht nur das, was gemessen werden sollte, sie bestimmen es … Wir zwingen das Quantenteilchen, eine bestimmte Position zu wählen." Mit anderen Worten, Jordan sagt, dass "wir unsere eigenen Messungen durchführen".
Wenn ja, kann die objektive Realität einfach aus dem Fenster geworfen werden.
Aber die Kuriositäten enden nicht dort.
Wenn die Natur ihr Verhalten ändert, je nachdem, ob wir schauen oder nicht, könnten wir versuchen, es um unsere Finger zu drehen. Dazu konnten wir messen, welchen Weg das Teilchen beim Passieren des Doppelspaltes nahm, jedoch erst nach dem Passieren. Zu diesem Zeitpunkt sollte sie bereits "entscheiden", ob sie einen Weg oder beide gehen soll.
Ein amerikanischer Physiker, John Wheeler, schlug in den 1970er Jahren ein solches Experiment vor, und in den nächsten zehn Jahren wurde ein Experiment mit "verzögerter Wahl" durchgeführt. Es verwendet clevere Methoden, um die Pfade von Quantenteilchen (normalerweise Lichtteilchen - Photonen) zu messen, nachdem sie einen Weg oder eine Überlagerung von zwei gewählt haben.
Es stellte sich heraus, dass es, wie Bohr vorausgesagt hatte, keinen Unterschied macht, ob wir die Messungen verzögern oder nicht. Solange wir den Weg des Photons messen, bevor es aufschlägt und sich im Detektor registriert, gibt es keine Interferenz. Es scheint, dass die Natur nicht nur "weiß", wann wir gucken, sondern auch, wann wir gucken wollen.
Eugene Wigner
Wann immer wir in diesen Experimenten den Weg eines Quantenteilchens entdecken, "schrumpft" seine Wolke möglicher Routen in einen einzigen genau definierten Zustand. Darüber hinaus deutet ein verzögertes Experiment darauf hin, dass das Beobachten ohne durch die Messung verursachten physischen Eingriff zum Kollaps führen kann. Bedeutet dies, dass ein wahrer Kollaps nur dann auftritt, wenn das Messergebnis unser Bewusstsein erreicht?
Diese Möglichkeit wurde in den 1930er Jahren vom ungarischen Physiker Eugene Wigner vorgeschlagen. "Daraus folgt, dass die Quantenbeschreibung von Objekten durch die Eindrücke beeinflusst wird, die in mein Bewusstsein gelangen", schrieb er. "Solipsismus kann logisch mit der Quantenmechanik übereinstimmen."
Wheeler war sogar amüsiert über die Idee, dass das Vorhandensein von Lebewesen, die "beobachten" können, eine Vielzahl möglicher Quantenvergangenheiten in eine konkrete Geschichte verwandelte. In diesem Sinne, sagt Wheeler, werden wir von Anfang an Teilnehmer an der Evolution des Universums. Ihm zufolge leben wir in einem "mitschuldigen Universum".
Physiker können immer noch nicht die beste Interpretation dieser Quantenexperimente wählen, und bis zu einem gewissen Grad sind Sie dazu berechtigt. Aber auf die eine oder andere Weise ist der Subtext offensichtlich: Bewusstsein und Quantenmechanik sind irgendwie miteinander verbunden.
Ab den 1980er Jahren schlug der englische Physiker Roger Penrose vor, dass diese Verbindung in eine andere Richtung funktionieren könnte. Er sagte, ob das Bewusstsein die Quantenmechanik beeinflusst oder nicht, vielleicht ist die Quantenmechanik am Bewusstsein beteiligt.
Der Physiker und Mathematiker Roger Penrose
Und Penrose fragte auch: Was ist, wenn es molekulare Strukturen in unserem Gehirn gibt, die ihren Zustand als Reaktion auf ein Quantenereignis ändern können? Können diese Strukturen wie die Partikel im Doppelspaltexperiment einen Überlagerungszustand annehmen? Könnten sich diese Quantenüberlagerungen dann in der Art und Weise manifestieren, wie Neuronen über elektrische Signale kommunizieren?
Vielleicht, sagte Penrose, ist unsere Fähigkeit, scheinbar inkompatible mentale Zustände aufrechtzuerhalten, keine Wahrnehmungs-Eigenart, sondern ein echter Quanteneffekt?
Schließlich scheint das menschliche Gehirn in der Lage zu sein, kognitive Prozesse zu verarbeiten, die digitalen Computern in Bezug auf ihre Fähigkeiten noch weit überlegen sind. Möglicherweise können wir sogar Rechenaufgaben ausführen, die auf normalen Computern mit klassischer digitaler Logik nicht ausgeführt werden können.
Penrose schlug in seinem 1989 erschienenen Buch The Emperor's New Mind erstmals vor, dass Quanteneffekte im menschlichen Geist vorhanden sind. Seine Hauptidee war „orchestrierte objektive Reduktion“. Eine objektive Reduktion bedeutet laut Penrose, dass der Zusammenbruch von Quanteninterferenz und Überlagerung ein realer physikalischer Prozess ist, wie eine platzende Blase.
Orchestrated Objective Reduction basiert auf der Annahme von Penrose, dass die Schwerkraft, die Alltagsgegenstände, Stühle oder Planeten beeinflusst, keine Quanteneffekte aufweist. Penrose glaubt, dass eine Quantenüberlagerung für Objekte, die größer als Atome sind, unmöglich wird, da ihr Gravitationseinfluss dann zur Existenz von zwei inkompatiblen Versionen der Raumzeit führen würde.
Dann entwickelte Penrose diese Idee mit dem amerikanischen Arzt Stuart Hameroff. In seinem Buch Shadows of the Mind (1994) schlug er vor, dass die Strukturen, die an dieser Quantenkognition beteiligt sind, Proteinfilamente sein könnten - Mikrotubuli. Sie kommen in den meisten unserer Zellen vor, einschließlich der Neuronen des Gehirns. Penrose und Hameroff argumentierten, dass Mikrotubuli während des Oszillationsprozesses einen Zustand der Quantenüberlagerung annehmen können.
Nichts deutet darauf hin, dass dies überhaupt möglich ist.
Es wurde angenommen, dass die Idee der Quantenüberlagerung in Mikrotubuli durch 2013 vorgeschlagene Experimente gestützt wird, aber in diesen Studien wurden Quanteneffekte nicht erwähnt. Darüber hinaus glauben die meisten Forscher, dass die Idee einer orchestrierten objektiven Reduzierung durch eine im Jahr 2000 veröffentlichte Studie entkräftet wurde. Der Physiker Max Tegmark berechnete, dass Quantenüberlagerungen von Molekülen, die an neuronalen Signalen beteiligt sind, selbst für den für die Signalübertragung erforderlichen Moment nicht existieren könnten.
Quanteneffekte, einschließlich Überlagerungen, sind sehr zerbrechlich und werden in einem als Dekohärenz bezeichneten Prozess zerstört. Dieser Prozess ist auf die Wechselwirkungen eines Quantenobjekts mit seiner Umgebung zurückzuführen, da sein "Quantum" austritt.
Es wurde angenommen, dass die Dekohärenz in warmen und feuchten Umgebungen wie lebenden Zellen extrem schnell ist.
Nervensignale sind elektrische Impulse, die durch den Durchgang elektrisch geladener Atome durch die Wände von Nervenzellen verursacht werden. Wenn sich eines dieser Atome in Überlagerung befand und dann mit einem Neuron kollidierte, zeigte Tegmark, dass die Überlagerung in weniger als einer Milliardstel einer Milliardstel Sekunde zerfallen sollte. Es dauert zehntausend Billionen Mal länger, bis ein Neuron ein Signal aussendet.
Aus diesem Grund werden Ideen zu Quanteneffekten im Gehirn nicht von Skeptikern getestet.
Aber Penrose besteht unerbittlich auf der OER-Hypothese. Und trotz der Vorhersage der ultraschnellen Dekohärenz von Tegmark in Zellen haben andere Wissenschaftler Manifestationen von Quanteneffekten in Lebewesen gefunden. Einige argumentieren, dass die Quantenmechanik von Zugvögeln, die magnetische Navigation verwenden, und grünen Pflanzen verwendet wird, wenn sie Sonnenlicht verwenden, um Zucker durch Photosynthese herzustellen.
Die Idee, dass das Gehirn Quantentricks anwenden kann, weigert sich jedoch zu verschwinden. Weil sie ein anderes Argument für sich gefunden haben.
Kann Phosphor einen Quantenzustand aufrechterhalten?
In einer Studie aus dem Jahr 2015 argumentierte der Physiker Matthew Fisher von der University of California in Santa Barbara, dass das Gehirn möglicherweise Moleküle enthält, die stärkeren Quantenüberlagerungen standhalten können. Insbesondere glaubt er, dass die Kerne der Phosphoratome diese Fähigkeit haben könnten. Phosphoratome kommen überall in lebenden Zellen vor. Sie haben häufig die Form von Phosphationen, bei denen sich ein Phosphoratom mit vier Sauerstoffatomen verbindet.
Solche Ionen sind die Hauptenergieeinheit in Zellen. Der größte Teil der Energie der Zelle wird in ATP-Molekülen gespeichert, die eine Sequenz von drei Phosphatgruppen enthalten, die an ein organisches Molekül gebunden sind. Wenn eines der Phosphate abgeschnitten wird, wird Energie freigesetzt, die von der Zelle verbraucht wird.
Zellen haben molekulare Maschinen, um Phosphationen zu Clustern zusammenzusetzen und abzubauen. Fisher schlug ein Schema vor, bei dem zwei Phosphationen in eine Überlagerung einer bestimmten Art gebracht werden können: in einen verschränkten Zustand.
Phosphorkerne haben eine Quanteneigenschaft - Spin -, die sie wie kleine Magnete aussehen lässt, deren Pole in bestimmte Richtungen zeigen. In einem verschränkten Zustand hängt der Spin eines Phosphorkerns vom anderen ab. Mit anderen Worten, verschränkte Zustände sind Überlagerungszustände, an denen mehr als ein Quantenteilchen beteiligt ist.
Laut Fisher kann das quantenmechanische Verhalten dieser Kernspins der Dekohärenz entgegenwirken. Er stimmt Tegmark zu, dass die Quantenschwingungen, über die Penrose und Hameroff gesprochen haben, stark von ihrer Umgebung abhängen und "fast sofort entkohlen" werden. Aber die Spins der Kerne interagieren nicht so stark mit ihrer Umgebung.
Und doch muss das Quantenverhalten der Spins von Phosphorkernen vor Dekohärenz "geschützt" werden.
Quantenteilchen können unterschiedlichen Spin haben
Dies könnte passieren, sagt Fischer, wenn die Phosphoratome in größere Objekte eingebaut werden, die als "Posner-Moleküle" bezeichnet werden. Sie sind Cluster von sechs Phosphationen, kombiniert mit neun Calciumionen. Es gibt einige Hinweise darauf, dass sich solche Moleküle in lebenden Zellen befinden können, aber bisher sind sie nicht sehr überzeugend.
In Posner-Molekülen, so Fischer, können die Phosphorspins selbst in lebenden Zellen etwa einen Tag lang der Dekohärenz widerstehen. Daher können sie auch die Funktion des Gehirns beeinträchtigen.
Die Idee ist, dass Posners Moleküle von Neuronen aufgenommen werden können. Sobald sie sich im Inneren befinden, aktivieren die Moleküle ein Signal an ein anderes Neuron, zerfallen und setzen Calciumionen frei. Aufgrund der Verschränkung in Posners Molekülen können sich zwei dieser Signale nacheinander verwickeln: In gewisser Weise wird es eine Quantenüberlagerung von "Gedanken" sein. "Wenn Quantenverarbeitung mit Kernspins tatsächlich im Gehirn vorhanden ist, ist dies äußerst häufig und geschieht ständig", sagt Fisher.
Diese Idee kam ihm zum ersten Mal, als er über psychische Erkrankungen nachdachte.
Lithiumcarbonat-Kapsel
„Meine Einführung in die Gehirnbiochemie begann, als ich mich vor drei bis vier Jahren entschied, zu untersuchen, wie und warum Lithiumionen bei der Behandlung von psychischen Gesundheitsproblemen eine so radikale Wirkung haben“, sagt Fisher.
Lithium-Medikamente werden häufig zur Behandlung von bipolaren Störungen eingesetzt. Sie funktionieren, aber niemand weiß wirklich warum.
"Ich habe nicht nach einer Quantenerklärung gesucht", sagt Fisher. Aber dann stieß er auf eine Arbeit, in der beschrieben wurde, wie Lithiumpräparate unterschiedliche Auswirkungen auf das Verhalten von Ratten hatten, je nachdem, welche Form - oder "Isotop" - von Lithium verwendet wurde.
Das verwirrte die Wissenschaftler zunächst. Chemisch verhalten sich verschiedene Isotope ähnlich, wenn also Lithium wie ein gewöhnliches Medikament wirkt, müssen die Isotope den gleichen Effekt gehabt haben.
Nervenzellen sind mit Synapsen verbunden
Fischer erkannte jedoch, dass die Kerne von Atomen verschiedener Lithiumisotope unterschiedliche Spins haben können. Diese Quanteneigenschaft kann die Wirkungsweise von Arzneimitteln auf Lithiumbasis beeinflussen. Wenn beispielsweise Lithium Calcium in Posner-Molekülen ersetzt, können die Lithiumspins einen Einfluss auf Phosphoratome haben und deren Verwicklung verhindern.
Wenn dies zutrifft, könnte dies auch erklären, warum Lithium bipolare Störungen behandeln kann.
An diesem Punkt ist Fischers Vermutung nichts weiter als eine faszinierende Idee. Es gibt jedoch mehrere Möglichkeiten, dies zu überprüfen. Zum Beispiel, dass die Phosphorspins in Posner-Molekülen die Quantenkohärenz für eine lange Zeit aufrechterhalten können. Dies ist Fisher und plant, dies weiter zu überprüfen.
Er ist jedoch vorsichtig, mit früheren Konzepten des "Quantenbewusstseins" in Verbindung gebracht zu werden, die er bestenfalls als spekulativ betrachtet.
Bewusstsein ist ein tiefes Geheimnis
Physiker sind nicht sehr gern in ihren eigenen Theorien. Viele von ihnen hoffen, dass Bewusstsein und Gehirn aus der Quantentheorie extrahiert werden können und vielleicht auch umgekehrt. Aber wir wissen nicht, was Bewusstsein ist, geschweige denn, dass wir keine Theorie haben, die es beschreibt.
Darüber hinaus gibt es gelegentlich laute Ausrufe, dass die Quantenmechanik es uns ermöglicht, Telepathie und Telekinese zu beherrschen (und obwohl dies irgendwo in der Tiefe der Konzepte so sein mag, nehmen die Leute alles zu wörtlich). Daher haben Physiker im Allgemeinen Angst, die Wörter "Quantum" und "Bewusstsein" in einem Satz zu erwähnen.
Im Jahr 2016 schlug Adrian Kent von der Universität Cambridge in Großbritannien, einer der angesehensten "Quantenphilosophen", vor, dass Bewusstsein das Verhalten von Quantensystemen auf subtile, aber nachweisbare Weise verändern kann. Kent ist in seinen Aussagen sehr vorsichtig. "Es gibt keinen zwingenden Grund zu der Annahme, dass die Quantentheorie eine geeignete Theorie ist, um eine Theorie des Bewusstseins zu ziehen, oder dass sich die Probleme der Quantentheorie irgendwie mit dem Problem des Bewusstseins überschneiden müssen", gibt er zu.
Aber er fügt hinzu, dass es völlig unverständlich ist, wie man eine Beschreibung des Bewusstseins ableiten kann, die ausschließlich auf der Vorquantenphysik basiert, wie man alle seine Eigenschaften und Merkmale beschreibt.
Wir verstehen nicht, wie Gedanken funktionieren
Eine besonders beunruhigende Frage ist, wie unser Bewusstsein einzigartige Empfindungen wie Rot oder den Geruch von Braten erleben kann. Abgesehen von Menschen mit Sehbehinderungen wissen wir alle, wie Rot aussieht, aber wir können dieses Gefühl nicht vermitteln, und in der Physik gibt es nichts, was uns sagen könnte, wie es aussieht.
Gefühle wie diese werden Qualia genannt. Wir nehmen sie als einheitliche Eigenschaften der Außenwelt wahr, aber in Wirklichkeit sind sie Produkte unseres Bewusstseins - und das ist schwer zu erklären. 1995 nannte der Philosoph David Chalmers dies das "schwierige Problem" des Bewusstseins.
"Jede Gedankenkette über die Verbindung zwischen Bewusstsein und Physik führt zu ernsthaften Problemen", sagt Kent.
Dies veranlasste ihn zu dem Vorschlag, dass "wir einige Fortschritte beim Verständnis des Problems der Evolution des Bewusstseins erzielen könnten, wenn wir zugeben (zumindest nur zugeben), dass das Bewusstsein die Quantenwahrscheinlichkeiten verändert".
Mit anderen Worten, das Gehirn kann die Messergebnisse tatsächlich beeinflussen.
Unter diesem Gesichtspunkt definiert es nicht "was wirklich ist". Dies kann jedoch die Wahrscheinlichkeit beeinflussen, dass jede der durch die Quantenmechanik auferlegten möglichen Realitäten beobachtet wird. Selbst die Quantentheorie selbst kann dies nicht vorhersagen. Und Kent glaubt, wir könnten experimentell nach solchen Manifestationen suchen. Selbst kühn bewertet die Chancen, sie zu finden.
„Ich würde mit 15-prozentiger Sicherheit annehmen, dass das Bewusstsein Abweichungen von der Quantentheorie verursacht. und weitere 3 Prozent, die wir in den nächsten 50 Jahren experimentell bestätigen werden “, sagt er.
In diesem Fall wird die Welt nicht dieselbe sein. Dafür lohnt es sich zu erkunden.
ILYA KHEL