Schlagwort-Archive: Hirnforschung

Quantenphysiker entwickelt Modell zur Willensfreiheit

Sind wir frei in unseren Entscheidungen? Oder ist Freiheit nur eine große Illusion und unser Handeln letztendlich durch Naturgesetze vorherbestimmt? Der Quantenphysiker Hans Briegel hat erstmals ein theoretisches Modell entwickelt, das unser Verständnis der Naturgesetze mit der Idee von Freiheit versöhnt. Er berichtet darüber in der Fachzeitschrift Nature Scientific Reports. Quantenphysiker entwickelt Modell zur Willensfreiheit weiterlesen

Elektronen auf frischer Tat beim Tunneln ertappt

Was sich wie ein Delikt anhört, nämlich das »Tunneln« ist ein ganz normaler quantenphysikalischer Vorgang. Erstmals ist es nun gelungen Elektronen live zu beobachten, wie sie die Atome verließen, von denen sie gefangen gehalten wurden (Heraustunneln).

Der Tunneleffekt erklärt unter anderem, wie es zur Kernfusion in der Sonne kommt oder auch die Funktionsweise des Raster-Tunnelmikroskops, mit dem man bis zu 100-Millionenfach vergrößern kann. Der Fernsehprofessor der Physik, Harald Lesch, demonstriert in der Bildungssendung Alpha Centauri eindrucksvoll, was es mit diesem Phänomen »Tunneleffekt« auf sich hat. Zu Beginn schwebt er durch die Tafelwand der Fernsehkulisse, so wie ein Geist, den keine Barriere von einem Spuk abhalten kann. Gleich darauf nimmt er wieder eine feste Gestalt an und erklärt, dass der Zuschauer seine Vorführung mit Vorsicht genießen soll. Mit dieser Warnung hat er wohl recht. Denn wenn ein Zuschauer es ihm gleich tun wollte, würde er nur Beulen und blaue Flecke davontragen. Die Wahrscheinlichkeit, dass Menschen durch Wände gehen können, ist verschwindend gering. Nur mikroskopischen Quantenobjekten wie Elektronen oder Protonen gelingt dieses Kunststück mit deutlich höherer Wahrscheinlichkeit.

Man kann den Effekt am Beispiel einer Kugel erklären, die ein Mensch mit Schwung einen Hügel hochrollen lässt. Wenn die Energie, welche der Kugel mitgegeben wird, nicht genügt, rollt die Kugel immer wieder zurück, anstatt die Kuppe zu überwinden und ins nächste Tal zu gelangen. In der Quantenphysik besteht dagegen für Quantenobjekte die Möglichkeit den Potentialwall, wie der Hügel genannt wird, zu durchtunneln. In einem Augenblick befindet sich das Quantenobjekt noch vor dem Potentialwall und im nächsten Augenblick schon dahinter im nächsten Tal. Es ist ein sprunghafter Übergang ohne Zwischenzustände.

Heraustunneln von Elektronen aus Atomen

Noch niemand konnte bisher das Quanten-Tunneln in Echtzeit beobachten. Dieses Kunststück ist nun Physikern des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik gelungen. Sie haben das Heraustunneln von Elektronen aus einem Atom erstmals in live verfolgt. Die elektrischen Kräfte innerhalb eines Atoms halten normalerweise jene Elektronen fest, die sich in seinem Inneren aufhalten. Die Kräfte bilden den Potentialwall, den es zu überwinden gilt, wenn sich ein Elektron aus dem Atom herauslösen soll.

Der Trick der Max-Planck-Physiker bestand darin, mit Hilfe von Attosekunden-Laserblitzen die Elektronen näher an den Rand ihres Atomgefängnisses zu bringen. Eine Attosekunde ist milliardster Teil einer milliardstel Sekunde und damit unvorstellbar kurz. Der Laserblitz vergrößert die Wahrscheinlichkeit, dass die Elektronen aus ihrem Atomgefängnis entkommen können. Und tatsächlich, nach einem zweiten Laserblitz, der die Breite des Potentialwalls ein wenig verringerte, nutzen die Elektronen die Gelegenheit, um herauszutunneln.

Atome, denen ein Elektron fehlt, sind positiv geladen. Als die Physiker im Anschluss an das Experiment die positiv geladenen Atome zählten, waren sie nicht schlecht überrascht, dass zahlreiche Elektronen entkommen waren. Noch interessanter ist aber die Feststellung, dass der Zeitbedarf für das Heraustunneln praktisch kaum messbar ist, sodass die Physiker annehmen, der Tunnelprozess benötige überhaupt keine Zeit. Die Erkenntnisse sollen helfen, bessere Röntgenlaser für die medizinische Therapie zu entwickeln.

Tunneleffekt und Hirnforschung

In der Hirnforschung kann das quantenmechanische Tunneln möglicherweise eine Erklärung für die Geschwindigkeit von bewussten Denkprozessen liefern. Die einzelnen Neuronen des Gehirns werden durch Schnittstellen verbunden, die Synapsen heißen. Diese besitzen einen winzigen Spalt, der überwunden werden muss, wenn ein Signal von Neuron zu Neuron übertragen werden soll. Die herkömmliche Theorie besagt nun, dass zur Übertragung von Signalen an den Synapsen, das ursprünglich elektrische Signal in ein chemisches umgewandelt werden muss. Die Theorie kann aber nicht die Geschwindigkeit von bewussten Denkprozessen erklären. Wie jeder weiß, der schon mal einen Akku am Stromnetz geladen hat, benötigt die Umwandlung von elektrischer Energie in chemische erhebliche Zeit. Würde die herkömmliche Theorie stimmen, müsste Denken schneckengleich langsam sein. Weil das der Erfahrung widerspricht, nehmen einige Hirnforscher an, dass der extrem schnelle quantenmechanische Tunneleffekt zur Überwindung des synaptischen Spalts eine Rolle spielt. Sollte man das experimentell bestätigen können, hätte man gleichzeitig eine Verbindung von Bewusstsein zur Welt der Quanten mit all ihren seltsamen Phänomenen gefunden. – Klaus-Dieter Sedlacek

Der Autor ist Verfasser des Buchs mit dem Titel »Unsterbliches Bewusstsein, Raumzeit-Phänomene, Beweise und Visionen« in dem aufgrund quantenphysikalischer Phänomene die Existenz von Bewusstsein auch außerhalb des Gehirns nachgewiesen wird.

Das Rätsel des Bewusstseins: Die Brücke zur Interpretation der Quantenphysik

(idw). Dr. Tobias Müller will Erkenntnisse der Neurowissenschaften und philosophische Ideen verbinden – Ziel ist ein neues Selbstbild des Menschen

Dank moderner Technologien können wir heute in unserem Gehirn fast wie in einem Buch lesen. Die Neurowissenschaften haben in den vergangenen Jahrzehnten nicht nur im Detail gezeigt, welche Hirnareale für welche Funktionen zuständig sind, sondern sagen uns auch, welche Stoffe bei einem bestimmten Reiz wo, wie und wann ausgeschüttet werden. Nicht gefunden wurde bislang jedoch eine Art Geistsubstanz oder Seelensubstanz, eine Materie oder ein Ort, wo unser Bewusstsein verankert ist. Einige Hirnforscher halten daher unser altes Selbstbild für obsolet und betrachten den Menschen eher als determinierte Biomaschine denn als frei handelndes Subjekt. “Dieser Verkürzung möchte ich Einhalt gebieten und anstatt den freien Willen ganz in Abrede zu stellen, darüber diskutieren, welche graduelle Freiheit es gibt”, sagt Dr. Tobias Müller. Der Nachwuchswissenschaftler wird am Philosophischen Seminar der Johannes Gutenberg-Universität Mainz ein Forschungsprojekt einrichten, das sich mit der Frage nach dem Bewusstsein und somit mit dem Selbstverständnis des Menschen unter Berücksichtigung der jüngsten Erkenntnisse der Neurowissenschaften beschäftigt.

“Der Erkenntnisgewinn der Neurowissenschaften schreitet mit einem atemberaubenden Tempo voran”, konstatiert Müller. Während davon große Fortschritte bei der Behandlung von Krankheiten wie Demenzerkrankungen und für die Entwicklung neuer Pharmaka erwartet werden, stellen die Ergebnisse der Hirnforschung gleichzeitig eine enorme Herausforderung für unser Selbstverständnis dar. Beginnend mit dem Libet-Experiment in den 70er Jahren – es zeigte anscheinend, dass unser Gehirn eine Bewegung vorbereitet noch bevor wir überhaupt einen Handlungswunsch verspüren – bis zu den heutigen Untersuchungen mit modernen bildgebenden Verfahren wie der funktionelle Magnetresonanz-Tomographie (fMRT) und der Positronen-Emissions-Tomographie (PET) ist es den Wissenschaftlern immer besser gelungen, in das menschliche Gehirn vorzudringen. So kann etwa die Wahl einer Testperson zwischen zwei Aufgaben im Gehirn abgelesen werden, bevor der Proband beginnt, die gewählte Aufgabe zu bearbeiten. Hier schließt sich fast automatisch die Frage an, ob unser Bewusstsein nur ein Oberflächenphänomen ist und ob es eine kausale Wirksamkeit besitzt.

Die Ergebnisse der Neurobiologie hinterlassen immer mehr den Eindruck, wir seien von Grund auf festgelegt, vorbestimmt durch unseren physischen Zustand, determiniert durch Nervenzellen und ihre Verknüpfung. “Wir sollten aufhören von Freiheit zu sprechen”, so brachte es der Frankfurter Hirnforscher Wolf Singer auf den Punkt. “Das erscheint uns als eine eminente Herausforderung für unsere lebensweltliche Vorstellung von Willensfreiheit und innerem Selbst”, erklärt Müller. “Wenn es keinen freien Willen gäbe, dann hätte das weitreichende Folgen für die Beurteilung von Straftaten und würde sich in allen anderen juristischen, politischen und sozialen Bereichen auswirken.” Müller plädiert dafür, die Diskussion nicht im Schwarz-Weiß-Schema sondern differenzierter zu führen. “Zwischen Schwarz und Weiß gibt es unendlich viele Grautöne. Anstatt eine Position der Extreme einzunehmen und den Menschen entweder als völlig frei oder als völlig determiniert zu betrachten, gibt es gute und vernünftige Gründe, uns Freiheit auch in Abstufungen vorzustellen.”

Ansätze für eine solche Debatte bieten die sogenannte Emergenztheorie und der Pan-Proto-Psychismus. Beide gehen davon aus, dass sich Geistiges nicht einfach auf Physikalisches reduzieren lässt: Der Wunsch nach etwas ist eben nicht nur das Feuern von Nervenzellen in einer bestimmten Gehirnregion, unser Bewusstsein ist Wirklichkeit, auch wenn es sich nicht auf physikalische Prozesse reduzieren lässt. Die Emergenztheorie vertritt die These, dass unser Bewusstsein einfach als eine neue Eigenschaft aus dem System heraus entsteht. Vertreter des Pan-Proto-Psychismus beantworten die Frage, woher diese neue Eigenschaft denn genau kommt, damit, dass es Vorformen von Subjektivität schon immer latent in allen Formen des Seins im Universum gegeben habe. “Vielleicht können wir es so sagen: Vertreter dieser Position behaupten, dass das Bewusstsein als eine Eigenschaft im Universum von Anfang an angelegt ist, je weiter die Evolution fortschreitet und je komplexer die Welt wird, desto stärker tritt diese Eigenschaft hervor, bis sie sich beim Menschen als Bewusstsein zeigt.” Müller sieht hier Ansätze, um nicht nur die Frage nach dem Bewusstsein und dem freien Willen zu erörtern, sondern um auch die Brücke zur Interpretation der Quantenphysik zu schlagen, wie dies der bekannte Quantenphysiker Henry Stapp vorgeschlagen hat. Er hofft, dass sich die empirischen Erkenntnisse der Hirnforscher und die Theorien der Philosophen verknüpfen lassen zu einer integralen Theorie des Bewusstseins. “Vielleicht können wir so gemeinsam zu einem neuen Verständnis des Menschen beitragen.”

Mehr Info:
1. Dr. Tobias Müller
Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Philosophisches Seminar
Tel. 06131 39-22459
E-Mail: tobmuell@uni-mainz.de

2. Unsterbliches Bewusstsein: Raumzeit-Phänomene, Beweise und Visionen