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Sind wir Sklaven unseres Unterbewusstseins?

Sind wir Sklaven unseres Unbewussten und können nichts dagegen tun? Hirnforscher sagen: Nein! Unser Bewusstsein kontrolliert unbewusste Prozesse im Gehirn. Der Wille und die automatische Verarbeitung arbeiten Hand in Hand, nicht gegeneinander. Das hat eine Forschergruppe an der Universität Ulm um den Psychologen Professor Markus Kiefer herausgefunden.

Unbewusste Prozesse, die im Widerspruch zu unseren Absichten stehen, werden weitgehend von unserem Bewusstsein blockiert. „Unser Wille ist freier als gedacht“, sagt Markus Kiefer, Sprecher eines deutschlandweiten Projektnetzwerkes zur Bewusstseinsforschung. Seine Forschungsgruppe konnte mit Messungen der Hirnaktivität im Magnetresonanztomographen (MRT) zeigen, dass bewusste Vorsätze die Arbeit unserer automatischen Systeme im Gehirn steuern. Die Forscher wiesen erstmals nach, dass solche Vorsätze für eine gewisse Zeit Netzwerke von Bereichen im Gehirn etablieren, die den unbewussten Informationsfluss im Gehirn steuern. Diese Ergebnisse wurden nun in der renommierten Fachzeitschrift Human Brain Mapping veröffentlicht.

Seit den Arbeiten des Begründers der Psychoanalyse Sigmund Freund wurde angenommen, dass unser Unbewusstes autonom und nicht vom Bewusstsein kontrollierbar ist. „Die Vorstellung des chaotischen und unkontrollierbaren Unbewussten prägt bis heute auch die akademische Psychologie und Kognitionsforschung. Dieses Dogma wurde in der Vergangenheit kaum kritisch hinterfragt“, so Professor Markus Kiefer. „Unsere Befunde widerlegen diese Lehrmeinung. Sie zeigen eindeutig, dass unser Bewusstsein zu den Absichten passende unbewusste Vorgänge in unserem Gehirn verstärkt, nicht passende dagegen abschwächt.“ Dadurch werde gewährleistet, dass unser bewusstes „Ich“ Herr im Haus bleibt und nicht durch eine Vielzahl unbewusster Tendenzen beeinflusst wird. „Wir sind also keinesfalls Sklaven unseres Unbewussten, wie lange Zeit angenommen“, meint Kiefer.

Diese Kontrolle des Unbewussten durch das Bewusstsein zeige sich, so Kiefer, auch im Alltag: “Wenn ich in den Supermarkt gehe, um Spülmittel zu kaufen, bin ich wenig empfänglich für die Schokolade im Süßwarenregal. Die Situation ist ganz anders, wenn ich gerade hungrig und dabei bin, Nahrungsmittel einzukaufen. Ähnliches gilt auch beim Autofahren: Wenn ich einen Fußgänger auf der Fahrbahn erwarte, kann ich ihn mit höhere Wahrscheinlichkeit auch dann rechtzeitig erkennen und abbremsen, wenn er am Rande meines Gesichtsfeldes auftaucht und damit nicht bewusst wahrnehmbar ist.“ Die bewussten Absichten und Einstellungen entscheiden somit darüber, ob ein unbewusster Prozess in unserem Gehirn überhaupt ablaufen kann.

Für die Studie haben die Forscher der Ulmer Universitätsklinik für Psychiatrie die Gehirnaktivität von Probanden beim Lesen von sichtbaren Worten im Magnetresonanztomographen gemessen. Zuvor wurden andere Worte, so genannte Bahnungsreize, für eine ganz kurze Zeit eingeblendet, so dass sie nicht bewusst wahrnehmbar waren. Bedeutungsmäßig verwandte unbewusste Bahnungsreize beschleunigten die Erkennenszeiten der nachfolgend gezeigten kritischen Wörter (z.B. Tisch-Stuhl, Henne-Ei) nur dann, wenn die Probanden zuvor die Absicht hatten, die Bedeutung von Wörtern zu verstehen. Hatten die Probanden dagegen die Absicht, auf die Form von Buchstaben zu achten und die Wortbedeutung zu ignorieren, hatten die unbewussten Bahnungsreize keinen Einfluss auf die Erkennenszeiten der sichtbaren Worte.

Diese Blockade unbewusster Prozesse durch die bewussten Absichten der Probanden konnte auch anhand der Messung der Hirnaktivität nachgewiesen werden. Wie bei den Erkennenszeiten auch, wurde die Gehirnaktivität beim Lesen der sichtbaren Worte nur dann durch die unbewussten Bahnungsworte verändert, wenn die Probanden zuvor, auf die Bedeutung von Bildern beachteten. Beachteten die Probanden zuvor die Form von Bildern, hatten die unbewusst wahrgenommenen Worte keinen Einfluss auf die Gehirnaktivität beim Lesen. Es zeigte sich, dass die bewussten Absichten der Probanden, auf Bedeutung oder Form zu achten, für eine gewisse Zeit unterschiedliche Netzwerke von Hirnarealen etablierten, welche die Verarbeitung der unbewusst wahrgenommenen Reize beeinflussten.

Mit 1,9 Millionen Euro förderte die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) ein deutschlandweites Projektnetzwerk zur Bewusstseinsforschung, in das das Ulmer Projekt eingebettet ist. Kiefer ist Sprecher dieses Netzwerkes: „Mühelos koordiniert das Gehirn im Alltag bewusste und unbewusste Prozesse, etwa bei der Wahrnehmung. Aber was dabei im Kopf passiert, ist sehr kompliziert und nach wie vor zum Teil unverstanden. Philosophen streiten seit Jahrtausenden über die Natur des Bewusstseins und sein Verhältnis zu den unbewussten Vorgängen. Wir können nun mit modernsten Methoden bewusste und unbewusste Prozesse im Gehirn sichtbar machen und so zur Lösung dieser alten Frage beitragen“. Im Gegensatz zur früheren Lehrmeinung werde durch diese Forschung deutlich, dass sich bewusste und unbewusste Vorgänge im Gehirn wechselseitig beeinflussen. (Text: Markus Kiefer / idw)

Weitere Informationen:
Prof. Dr. Markus Kiefer, Universität Ulm, Klinik für Psychiatrie und Psychotherapie III, Leiter der Sektion für Kognitive Elektrophysiologie; Tel. 0731/500-61532; Email: markus.kiefer@uni-ulm.de;

Buchtipps:
Unsterbliches Bewusstsein: Raumzeit-Phänomene, Beweise und Visionen
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Gedächtnisforschung: Hemmender Botenstoff am Lernprozess beteiligt


Honigbienen lernen sehr schnell und haben ein hervorragendes Gedächtnis. Daher sind sie als Modellorganismen für die Forschung interessant. Da die Lernprozesse beim Menschen ähnlich ablaufen, können Erkenntnisse aus der Bienenforschung übertragen werden. Wissenschaftler der Saar-Uni haben nun erstmals an Nervenzellen von Bienen experimentell belegt, dass der Neurotransmitter Gamma-Aminobuttersäure (GABA) eine bedeutende Rolle bei Lernprozessen spielt. GABA ist einer der wichtigsten hemmenden Botenstoffe im Gehirn und spielt unter anderem bei Krankheiten wie Alzheimer und Epilepsie eine Rolle. Die Studie wurde in der renommierten Fachzeitschrift „Journal of Neuroscience“ veröffentlicht.
Mit einem Gehirn kleiner als ein Stecknadelkopf und mit weniger als einer Million Nervenzellen können sich Bienen hervorragend in der Umgebung orientieren und lernen, wo für sie wichtige Futterquellen liegen. Hierbei verknüpft ihr Nervensystem spezifische Informationen wie Düfte, Farben und Landmarken mit einer Belohnung in Form von Nektar. Dies wird im Gedächtnis gespeichert, sodass die Biene die Futterstelle auch Tage später wiederfindet.
„Bei diesen Lernprozessen spielen chemische Botenstoffe eine wichtige Rolle“, sagt Uli Müller, Professor für Zoologie und Physiologie an der Universität des Saarlandes. „Diese Neurotransmitter übermitteln Informationen zwischen Nervenzellen, wobei zwischen erregenden und hemmenden Transmittern unterschieden wird.“ Ein erregender Botenstoff wie Acetylcholin (ACh) aktiviert die nächste Nervenzelle, während ein hemmender Transmitter wie GABA die Signalübermittlung herunterregelt. Kommen nun zwei Reize wenige Millisekunden hintereinander an einer Nervenzelle an, „verrechnet“ die Zelle diese miteinander. So kann das Signal bei der Verrechnung zweier Reize besonders verstärkt oder abgemildert werden, je nachdem, welche Transmitter beteiligt sind.
Kommt es bei der Reizweiterleitung zu Änderungen, sind Nervenzellen in der Lage, darauf zu reagieren – eine Eigenschaft, die Fachleute als neuronale Plastizität bezeichnen. Sie ist maßgebend für das Lernen und die Gedächtnisbildung.
„Beim Lernen spielt die zeitliche Abfolge der Informationen, also etwa die zeitliche Paarung von Duft und der anschließenden Nektarbelohnung, eine entscheidende Rolle“, so Müller weiter. „Bei bisherigen Untersuchungen von Lernprozessen stand vor allem die zeitliche Verrechnung von erregenden Neurotransmittern im Fokus. Obwohl bekannt war, dass der hemmende Neurotransmitter GABA beim Lernen eine Rolle spielt, wurde er nicht mit diesen Prozessen in Verbindung gebracht.“

Dies ist nun erstmals Müller und seinem Mitarbeiter Davide Raccuglia in ihrer aktuellen Studie gelungen. Die Biologen haben die für das Lernen bei Insekten verantwortlichen Nervenzellen, die Kenyonzellen, isoliert und die zeitliche Verrechnung bei erregenden und hemmenden Botenstoffen untersucht. Dazu haben die Forscher die Zellen von Honigbienen und Fruchtfliegen zuerst mit dem erregenden Transmitter ACh und Sekunden später mit dem hemmenden Botenstoff GABA als auch in umgekehrter Reihenfolge stimuliert. Zur Kontrolle haben sie die Versuche jeweils nur mit dem hemmenden oder dem erregenden Botenstoff durchgeführt. Anschließend haben sie gemessen, ob sich die Signalverarbeitung der Zellen verändert hat.
„Wir haben beobachtet, dass es bei der Stimulation mit beiden Transmittern im Gegensatz zu den Kontrollversuchen noch Minuten später zu Änderungen in der Signalverarbeitung der Kenyonzellen kommt“, sagt der Neurobiologe. Durch diese zeitliche Verrechnung haben die Zellen, so Müller weiter, ein „molekulares Gedächtnis“ gebildet. Dabei hänge das Ausmaß dieser Änderungen davon ab, welcher Transmitter zuerst stimuliert und wie viele Rezeptoren die Zellen für den Neurotransmitter GABA besitzen.
Folgestudien müssen jetzt klären, welche Rolle GABA-Rezeptoren bei der Signalverrechnung beim Lernen genau spielen und ob diese beispielsweise mit Krankheiten wie Alzheimer in Zusammenhang stehen. GABA ist einer der wichtigsten Botenstoffe des menschlichen Zentralnervensystems. Er wird auch mit weiteren neurologischen Krankheiten wie Epilepsie in Verbindung gebracht.
Die Studie wurde in der Fachzeitung „Journal of Neuroscience“
veröffentlicht:
„Temporal Integration of Cholinergic and GABAergic Inputs in Isolated Insect Mushroom Body Neurons Exposes Pairing-Specific Signal Processing”.  DOI: 10.1523/JNEUROSCI.0714-14.2014

Was uns eine Meeresschnecke über Evolution und Bewusstsein verrät?

Schlundsackschnecken zu denen Elysia timida gehört, sind hauptsächlich in der Algenzone der Meeresküsten zu finden. Die Schnecken ernähren sich fast ausschließlich von Algen, deren Chloroplasten sie aufnehmen und in ihre Haut oder vergrößerte Mitteldarmdrüse einlagern können (Kleptoplastiden). Elysia timida hat einen Weg gefunden, sich die Photosynthese von Algen nutzbar zu machen. Wie ist das möglich? Als Naturwissenschaftler gehen wir davon aus, dass sich alle komplexen biologischen Systeme durch evolutionäre Prozesse gebildet haben.

Ein Evolutionsprozess besteht aus drei Schritten, die ich kurz charakterisieren möchte: Zuerst entsteht Neues, möglicherweise noch nie Dagewesenes. Im zweiten Schritt wird das Neue mit Vorhandenem kombiniert und zur Auswahl dargeboten. Im dritten und letzten Schritt wird eine Auswahl unter dem Dargebotenen getroffen. Die Auswahl kann passiv durch Wechselwirkungen mit der Umwelt geschehen oder aktiv unter Berücksichtigung der individuellen Neigung, bestimmte Ziele zu verfolgen (= Bedürfnisse).

Das Verdauungsorgan der Schnecke zerkleinert und zerlegt die gefressenen Algen. Neu im Sinn von Schritt 1 der Evolution ist wohl, dass die Schnecke und speziell ihr Darm zwischen verschiedenen Zellbestandteilen der zerlegten Algen unterscheiden kann. Die Schnecke verfügt ganz offensichtlich über die Möglichkeit, selektiv bestimmte Zellbestandteile zu verdauen, oder auch nicht, obwohl sich die einzelnen Bestandteile nicht prinzipiell unterscheiden und andere Meeresschnecken ungeachtet der unterschiedlichen Algenbestandteile die komplette Alge verdauen.

Für den zweiten Schritt des Evolutionsprozesses ergeben sich daraus folgende Kombinationen: a. alle Zellbestandteile verdauen, b. Chloroplasten verdauen, c. alles verdauen außer Chloroplasten.

Im dritten Schritt des Evolutionsprozesses kommt es zu einer Auswahl unter den drei dargebotenen Möglichkeiten. Bei einer passiven Auswahl durch die Umwelt bleibt entweder alles beim Alten (Kombination a) oder das Neue ist im Regelfall von entscheidendem Vorteil für Lebenserhalt und Fortpflanzung. Bei einer aktiven Auswahl können Bedürfnisse die Wahl bestimmen und es kann b oder c zum Tragen kommen.

Die Biologen gehen davon aus, dass die Elysia-Schnecken in Hungerphasen Energie von den Chloroplasten beziehen, die im Darm weiterhin Photosynthese betreiben. Ein Experiment zeigte allerdings, dass die Schnecken auch ohne Photosynthese der Chloroplasten überleben. Nach zwei Monaten im Dunkeln waren die Schnecken so lebendig wie zuvor. Jetzt vermuten die Forscher, die Schnecke profitiert nicht unbedingt sofort von den Chloroplasten, sondern erst dann, wenn die Darmzellen diese in Hungerphasen abbauen.

Für eine passive Auswahl durch die Umwelt im dritten Schritt der Evolution spricht, dass man aus dem Vorhandensein der Chloroplasten im Darm einen geringfügigen Vorteil für den Lebenserhalt ableiten kann. Doch ist dieser Vorteil entscheidend?

Gegen das Wirken eines passiven Prozesses spricht das Erkennen des Unterschieds verschiedener Zellbestandteile der Algen durch die Schnecke selbst bzw. durch ihre Darmzellen. Es gibt also etwas, was sich auf unterschiedliche Anforderungen einstellen kann.

Was die Auswahl im Evolutionsprozess betrifft, so ist die Wahl der Evolution auf Kombination c gefallen, alles wird verdaut außer den Chloroplasten. Allerdings hat die Schnecke anscheinend die Möglichkeit, in Hungerphasen die Kombination b zu wählen, nämlich die Chloroplasten zu verdauen. Es existiert eine nicht determinierte Entscheidungsmöglichkeit zwischen Handlungsalternativen.

Wenn man zudem davon ausgeht, dass die Schnecke das ganz einfache Bedürfnis hat, sich ihr Leben etwas komfortabler zu gestalten, indem sie die Chloroplasten Sauerstoff und Zucker produzieren lässt, dann sind alle Kriterien für den informationsverarbeitenden Prozess erfüllt, den ich in meinen Schriften als Bewusstsein bezeichnet habe.

Der gleiche Bewusstseinsprozess, der Entscheidungen trifft, wann die Chloroplasten Sauerstoff und Zucker produzieren sollen und wann sie zu verdauen sind, hat auch beim dritten Evolutionsschritt die aktive Auswahl durchgeführt.

Sicher handelt es sich nicht um einen hoch entwickelten Bewusstseinsprozess wie das Selbst- oder Oberbewusstsein beim Menschen. Es ist eher ein dem Unterbewusstsein vergleichbarer Prozess. Beim Menschen führt das Unterbewusstsein viele Entscheidungen und körperliche Steuerungen durch. Nur das Wichtigste wird zur Entscheidung dem Oberbewusstsein zugeführt. Und was das Wichtigste ist, das entscheidet ebenfalls das Unterbewusstsein.

Die Elysia-Schnecke zeigt uns mit hoher Wahrscheinlichkeit, dass einfache Bewusstseinsprozesse selbst auf ihrer nicht allzu hohen Entwicklungsstufe wirken.
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Physik sorgt für Entwicklungsschub in der Biologie

Geschichte der Biophysik

Physik und Biologie haben gemeinsame Wurzeln und haben sich oft gegenseitig inspiriert. Neue physikalische Messmethoden führten zu einem Entwicklungsschub in der Biologie und Beobachtungen der Biologen dienten als Denkanstöße in der Physik.

Kann die Physik auch prinzipielle Fragen der Biologie klären? Einige Experten hegten einst starke Zweifel. So erklärte der französische Genetiker und Medizin-Nobelpreisträger von 1965, Jacques Monod, lange Zeit, dass Leben zwar mit den Gesetzen der Physik kompatibel sei, aber nicht durch physikalische Gesetze kontrolliert werde. Ernst Walter Mayr, der große Entwicklungsbiologe, behauptete, Physik spiele in der Biologie überhaupt keine Rolle und habe praktisch nichts zur Deutung lebender Materie beigetragen. Die historischen Beispiele zeigen jedoch das Gegenteil.

Mit Physik die Zelle entdecken

Ein erster Begründer der modernen Biologie war der Delfter Kaufmann und Hobbyforscher Antoni van Leeuwenhoek, der um 1670 einfache Mikroskope baute, mit denen er eine bis zu 200-fache Vergrößerung erreichte. Die Mikroskope bestanden aus einer auf einem Kupferring ruhenden Glaskugel, als Beleuchtung diente eine Kerze. Leeuwenhoek beobachtete damit erstmals lebende Zellen – wahrscheinlich sogar große Bakterien.

Historische Skizze des Mikroskops von Robert Hooke.
Mikroskop nach Hooke

Als zweiter Entdecker der Zelle kann der englische Physiker Robert Hooke angesehen werden. Der Experimentator, dessen Name vor allem durch sein Gesetz der Elastizität bekannt ist, beobachttee im 17. Jahrhundert die Struktur von Kork und prägte den Begriff der Zelle. Seine und Leeuwenhoeks Beobachtungen über die Existenz und Bewegung von Zellen wurden von den Biologen lange als Spielerei abgetan und so dauerte es noch gut 200 Jahre, bis die Idee der Zelle vollständig akzeptiert wurde.

Physikalische Prinzipien in der Biologie

Weitere Pioniere der Biophysik waren Thomas Young und Hermann von Helmholtz, die beide über die Medizin zur Physik kamen. Der Augenarzt Thomas Young lieferte Anfang des 19. Jahrhundert mit seinem Beugungsversuch am Doppelspalt den ersten experimentellen Beweis für die Wellennatur des Lichts – gegen den Widerstand des wissenschaftlichen Establishments. In Selbstversuchen lieferte er außerdem den Beweis, dass die Adaption des Auges auf der Verformung der Augenlinse beruht und belegte die Ursache des Astigmatismus, eines optischen Abbildungsfehlers, der sich im Auge als Hornhautverkrümmung äußert. Er stellte auch die Dreifarben-Hypothese des Farbsehens auf, ausgebaut von Helmholtz und heute voll bestätigt. Ebenso wichtig für die Biologie ist Youngs Entdeckung des nach ihm benannten Gesetzes der Kapillarität.

Dargestellt ist die von Helmholtz und Young vermutete Empfindlichkeit des Auges für die drei Farbtöne rot, grün und blau/violett.
Dreifarben-Hypothese

Der Physiologe Helmholtz maß als erster die Transportgeschwindigkeit von Nervensignalen. Seine Formulierung des Energieerhaltungssatzes der Physik und die Entdeckung der zentralen Bedeutung der Zirkulationsströmung für das Fliegen wurden durch die Biologie inspiriert. Dabei ist seine Entwicklung vom Mediziner zum theoretischen Physiker außergewöhnlich: Als Mediziner begründete er die moderne Physiologie und als Physiker legte er den Grundstein für die zum Ende des 19. Jahrhunderts einsetzende enorme Entwicklung der Physik in Deutschland.

Energie und Bewegung

Die prominentesten Beispiele für die Auswirkungen der Biologie auf die Physik sind die Entdeckung des allgemeinen Energieerhaltungsssatzes durch den deutschen Arzt und Physiker Julius von Mayer und den Physiologen Hermann von Helmholtz sowie die Theorie der Brownschen Bewegung durch Albert Einstein. Mayer beobachtete als Schiffsarzt auf Java, dass das in den Venen zum Herzen zurückfließende Blut der Hafenarbeiter in den Tropen heller ist als in gemäßigten Zonen. Er wusste bereits, dass Blut umso heller ist, je mehr Sauerstoff es enthält. Daraus schloss er, dass die Arbeiter in den Tropen bei gleicher Arbeitsleistung weniger Sauerstoff – und damit Energie – verbrauchten als in gemäßigten Zonen, da weniger Wärme an die Umgebung abgegeben wird. Dies brachte ihn auf die Idee, dass Wärme und mechanische Arbeit äquivalente Energieformen sind und er bestimmte aus physiologischen Messungen sogar das mechanische Wärmeäquivalent.

Die Grafik ist zweigeteilt und zeigt statistische Bewegungen von Teilchen, die sich bei höherer Temperatur schneller bewegen.
Brownsche Bewegung

Seine Intuition allein reichte jedoch nicht aus, um der Idee in der Physik zum Durchbruch zu verhelfen. Erst dem Theoretiker Helmholtz gelang 1847 die allgemeine Formulierung des Energieerhaltungssatzes. Seine im Alter von 26 Jahren verfasste Arbeit wurde allerdings nicht zur Publikation in den Annalen für Physik und Chemie angenommen, und so setzte sich der Energieerhaltungssatz eher zögernd durch. Einsteins Deutung der Beobachtung des britischen Botanikers Robert Brown, dass Bärlappsamen in Wasser wirre Bewegungen ausführen, beeinflusste die Physik zu Beginn des Jahrhunderts fast ähnlich stark wie die Plancksche Strahlungsformel. Nach dem experimentellen Beweis der Theorie der Brownschen Bewegung durch den französischen Physiker Jean-Baptiste Perrin, der 1926 den Physik-Nobelpreis erhielt, akzeptierten auch skeptische Physiker das Konzept der atomistischen Struktur der Materie. (Quelle: Welt der Physik, Lizenz: CC by-nc-nd)
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Komponenten des Lebens und ihre Funktion

Die Biophysik bildet die Brücke zwischen der Physik und den Lebenswissenschaften. Sie ist eng mit der Physik Weicher Materie und Komplexer Systeme verknüpft und viele Fragestellungen sind Bestandteil der Statistischen Physik geworden. Dabei verfolgt die Biophysik mehrere Stoßrichtungen.

Die eine versucht, Methoden zu entwickeln, um die Architektur biologischer Materialien von molekularen bis makroskopischen Skalen zu untersuchen und ihre physikalischen Eigenschaften unter möglichst natürlichen Bedingungen zu messen – in „vivo“, sagt der Biologe. Entdeckungsfreudige Physiker finden eine breite Spielwiese, um mit einfachen Methoden wie optischen und magnetischen Pinzetten oder einer Glaspipette, gepaart mit einem guten Mikroskop, die physikalischen Eigenschaften der Zellen zu studieren.

Dreidimensionale Darstellung der Struktur des Proteins GGA1.
Struktur eines Proteins

Große Maschinen hingegen sind notwendig, um die Struktur und Dynamik biologischer Materialien mittels Neutronen- und Röntgenbeugung zu erforschen. Moderne Methoden der Röntgenbeugung mit fokussierten Strahlen eröffnen dabei auch völlig neue Einblicke in die molekulare Architektur von Gewebe, Knochen oder Holz. Zudem verspricht die Entwicklung der Spallations-Neutronenquellen und des Freien Elektronenlasers neue Einsichten in die molekulare Basis des molekularen Erkennens zwischen Proteinen und DNS oder die physikalischen Grundlagen der Proteinfaltung.

Biologie als Vorbild

Eine zweite Forschungsrichtung ist die von der Biologie inspirierte Physik. Sie versucht möglichst realistische Modelle lebender Materie – wie Membranen, Gewebe oder Knochen – aufzubauen, um spezifische biologische Prozesse zu imitieren. Solche Modelle spielen eine wichtige Rolle, um etwa die Verlässlichkeit neuer physikalischer Methoden zu testen oder um nach den wesentlichen physikalischen Parametern zu suchen, welche das biologische Verhalten eines Systems bestimmen.

Parallele Untersuchungen natürlicher Systeme und von Modellen helfen auch, Bezüge zur Physik Kondensierter Materie herzustellen. Im Hintergrund steht der Gedanke, die Strategie der biologischen Selbstorganisation zur Herstellung neuartiger smarter Materialien einzusetzen. Beispiele dieses Bionik genannten Gebietes sind Materialien, die ihre Eigenschaften an wechselnde Umgebungsbedingungen anpassen können, wie selbst reinigende Oberflächen oder bruchfeste Keramiken, wie sie in Prozessen der Biomineralisierung entstehen.

Im Grenzbereich zwischen Physik und Technik sind Bemühungen angesiedelt, Methoden der Navigation in der Tierwelt zu imitieren. Beispielsweise inspirierte die Echoortung der Fledermaus die Radartechniker zum Bau des Zirp-Radars. Auch beim Bau von Robotern lässt man sich gern von der Biologie inspirieren: Zahlreiche Arbeitsgruppen versuchen, die Fähigkeit der Insekten und Salamander des Hochlaufens an Wänden zu imitieren. Roboter zum Fensterputzen wären eine passende Umsetzung des Prinzips.

Ein anderer zukunftsträchtiger Zweig der angewandten Biologischen Physik ist der Bau von Biosensoren durch den Aufbau von Enzymsystemen, Biomembranen oder Nervenzellen auf elektro-optischen Bauelementen. Ein Beispiel sind zweidimensionale Anordnungen von Punkt-Transistoren, die als Nano-Voltmeter fungieren. Hier sitzen auch zahlreiche Querverbindungen zur Nanotechnik oder Mikrooptik, denn die dort entwickelten Methoden eröffnen neue Möglichkeiten zur Messung physikalischer Eigenschaften der Zellen in natürlicher Umgebung.

Komplexe Wechselwirkungen erfassen

Dargestellt ist eine Nervenzelle mit Axonen.
Neuron

Auf fundamentalere Fragen der Biologie zielt die oft als Systembiophysik bezeichnete Erforschung der Regulation biologischer Prozesse durch das Wechselspiel zwischen biochemischen und genetischen Signalkaskaden, der dadurch bedingten Modifikation der Materialeigenschaften und der biologischen Funktion. Hier arbeiten Physiker, Mathematiker und Ingenieure miteinander. Eine besonders faszinierende Fragestellung dieser Kategorie ist die Entwicklung vom befruchteten Ei zum Embryo, oft Morphogenese genannt. Was steuert die Differenzierung der zunächst völlig identisch erscheinenden Zellen des befruchteten Eis in Neuronen oder Muskelzellen und was legt den Zeitplan der embryonalen Entwicklung fest? Ist dies alles im genetischen Code vorbestimmt oder bestimmt die Kopplung zwischen externen äußeren Kräften – wie chemischen Potentialen oder mechanischen Kräften – und dem genetischen Apparat den Prozess der Morphogenese?

Alan Turing, der geistige Vater des Programmierens, lehrte erstmals, wie raum-zeitliche Muster, etwa von Signalmolekülen, die dann die Entwicklung von Organen steuern, allein durch das Zusammenspiel chemischer Potenziale und autokatalytischer Prozesse entstehen können. Zwar ist die Entwicklung vom befruchteten Ei zum ausgewachsenen Lebewesen vor allem durch die zeitliche Folge der Gen-Expression bestimmt, doch zeigt sich auch immer mehr, dass die Zell-Zell-Erkennung und insbesondere mechanische Kräfte die Differenzierung und räumliche Organisation der Zellen steuern können. Die Aufklärung des Wechselspiels zwischen Morphogenese und der Physik der Zelle ist eine besonders reizvolle Aufgabe für Experimentatoren und Theoretiker.

Immer mehr Physiker finden außerdem Interesse an der Hirnforschung und versuchen zu verstehen, wie das Gehirn die Umwelt wahrnimmt. Ein Meilenstein auf dem Weg zur quantitativen Hirnforschung war die Entdeckung, dass optische Muster, die auf die Netzhaut der Augen projiziert werden, im visuellen Cortex als Erregungsmuster abgebildet werden. Diese Experimente brachten der Physik neuronaler Netzwerke einen enormen Aufschwung. (Quelle: Welt der Physik, Lizenz: CC by-nc-nd)

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Primäres Bewusstsein bei Mikroben entdeckt

Prokaryoten umfassen die Bakterien und Archaeen, also die einfachsten und frühesten Lebewesen, die wir kennen. Es sind Mikroben ohne Zellkern, die aber ein Chromosom besitzen, mit dessen Hilfe sie sich fortpflanzen. Im Rahmen der Bewusstseinsforschung stellt sich die Frage, ab welcher Stufe der Evolution sich ein rudimentäres Bewusstsein zeigt. Durch raffinierte Tests hat man vor einigen Jahren herausgefunden, dass Schimpansen, Elefanten oder Raben Bewusstsein zeigen. Nun kann man aber auch primäres Bewusstsein bei Prokaryoten nachweisen.

Primäres Bewusstsein ist eine einfache Bewusstseinsform, die etwa mit den Funktionen eines Unterbewusstseins vergleichbar ist. Es beinhaltet nicht das Selbst- oder Ich-Bewusstsein, das wir von uns Menschen kennen. Bewusstsein ist ein informationsverarbeitender Prozess und dient einem Lebewesen dazu, sich auf neue Anforderungen oder geänderte äußere Umstände einzustellen. Wenn das Lebewesen zwischen möglichen Handlungsalternativen auf nicht determinierte Weise entscheidet und die Entscheidung zur Befriedigung seiner Bedürfnisse dient, dann kann man zumindest von primärem Bewusstsein ausgehen (zur Definition von Bewusstsein siehe: Klaus-Dieter Sedlacek, „Der Widerhall des Urknalls“, Norderstedt 2012, S. 148). Andererseits kann man nicht von primärem Bewusstsein ausgehen, wenn Handlungen ausschließlich eine automatische Reaktion auf Umweltreize sind und keinerlei Entscheidungen zwischen Alternativen erkennen lassen.

Prokaryoten haben Geißeln, um sich schwimmend fortbewegen zu können. Die Beweglichkeit kann ihnen nur nützen, wenn sie erkennen, wohin sie schwimmen sollen. Aus ihrer Orientierungsreaktion (Taxis), das heißt, ihrer Ausrichtung nach einem Reiz oder einem Umweltfaktor lassen sich Rückschlüsse auf jenen informationsverarbeitenden Prozess ziehen, der eine Voraussetzung für Bewusstsein ist. Man unterscheidet zum Reiz gerichtete Reaktionen und vom Reiz weggerichtete Meide- oder Schreckreaktionen (negative Taxis).

Bei einer Chemotaxis erfolgt beispielsweise die Ausrichtung nach der Konzentration eines Stoffes. Aerotaxis ist die Orientierung zum Sauerstoff. Es handelt sich um eine besondere Form von Chemotaxis oder Energietaxis. Phototaxis ist die Orientierung an der Helligkeit und Farbe des Lichts und Galvanotaxis die Orientierung an elektrischen Feldern um nur ein paar Taxisarten zu nennen. Im Internet findet sich ein kleines Video über das Pantoffeltierchen (Paramecium), wie es sich an einem elektrischen Feld ausrichtet (https://youtu.be/-U9G0Xhp3Iw).

Viele Bakterien können gleichzeitig die Konzentration von Futtersubstanzen, Sauerstoff oder Licht erkennen und sich danach ausrichten. Solange sie z.B. keine Futtersubstanz erkennen, schwimmen sie eine Zeit lang in eine zufällige Richtung und wechseln anschließend die Richtung, um wieder eine Zeit lang in eine andere Richtung weiterzuschwimmen. Bei geringer werdender Konzentration wechseln sie häufig die Richtung, bei zunehmender Konzentration schwimmen sie dagegen zielgerichteter zum Ort der höheren Konzentration. Sie zeigen ein gleiches Verhalten in Bezug auf die Sauerstoffkonzentration und auf Licht (vgl. Cypionka, „Grundlagen der Mikrobiologie“, 3. Aufl., Springer 2006, S. 33f.)

Aus dem Verhalten kann man ableiten, dass die Bakterien zeitlich auflösen können, ob die Konzentration geringer oder stärker wird. Sie können also Änderungen in den Umweltbedingungen feststellen, indem sie einen vorherigen Zustand auf irgendeine Weise speichern. Schon allein dadurch erkennt man das Vorhandensein eines informationsverarbeitenden Prozesses. Die Mikroben zeigen zudem ein Bedürfnis (= Neigung ein Ziel zu verfolgen), zum Ort der höheren Futter- oder Sauerstoffkonzentration zu schwimmen.

Es kann aber auch vorkommen, dass zwei unterschiedliche Bedürfnisse nicht miteinander vereinbar sind. Beispielsweise kann die höhere Sauerstoffkonzentration entgegengesetzt vom Ort der höheren Futterkonzentration liegen. Zwischen den beiden Orten, an denen je ein anderes Bedürfnis befriedigt wird, gibt es eine Stelle, an der die Bewertung, welcher Reiz stärker ist, gleich ausfällt. Der Mikrobe muss sich entscheiden, welchem Reiz sie nachgeht, d.h., zu welchem Ort sie schwimmen soll. Die Entscheidung kann nicht determiniert fallen, weil vorausgesetzt wird, dass die Stärke der Reize von der Mikrobe gleich bewertet wird. Wir haben es in diesem Fall mit einer nicht determinierte Entscheidung zwischen Handlungsalternativen zu tun. Es ist die Entscheidung in die eine oder in die andere Richtung zur Befriedigung eines Bedürfnisses zu schwimmen.

Zusammenfassend gilt: Im Verhalten der Mikroben kann man einen informationsverarbeitenden Prozess erkennen, der bei Änderungen der Konzentration verschiedener Stoffe, also der Umweltbedingungen, eine nicht determinierte Entscheidung zwischen Handlungsalternativen trifft, die zum zielgerichteten Verhalten zur Befriedigung von Bedürfnissen führt. Das bedeutet: Mikroben zeigen primäres Bewusstsein. – Klaus-Dieter Sedlacek

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Generalangriff der Philosophie auf die naturwissenschaftliche Weltsicht

Der amerikanische Philosoph Thomas Nagel bläst in seinem neuen Buch mit dem Titel „Geist und Kosmos“ (ISBN 978-3518586013 ) zum Generalangriff auf die etablierte naturwissenschaftliche Weltsicht. Ihr Problem, so seine These, ist grundsätzlicher Natur: Das, was den menschlichen Geist auszeichnet – Bewusstsein, Denken und Werte –, lässt sich nicht reduzieren, schon gar nicht auf überzeitliche physikalische Gesetze.

Hat Thomas Nagel recht oder passt seine eigene Weltsicht nicht zur Realität?

Zur Beantwortung der Frage möchte ich hier mein eigenes Weltbild als Naturwissenschaftler kurz skizzieren. Mein Weg zur Erklärung von Information, Bewusstsein, Sinn, Bedeutung, aber auch Dingen wie Krankheit oder die Phänomene der Quantenphysik, basiert auf einer strikten Trennung der abstrakten geistigen von der physikalischen Welt, da jede Vermischung beider Welten zu Ergebnissen führt, die weder real sind noch zur Naturwissenschaft gehören, sondern allein in der abstrakten geistigen Welt angesiedelt sind.

Beispielsweise gehören mathematische Formeln, exakte geometrische Formen, Gottheiten oder “unmögliche Dinge” wie eckige Kreise und eierlegende Wollmilchsäue zur abstrakten geistigen Welt. Ein Großteil der Objekte der Philosophie gehört dorthin. In der geistigen Welt existiert alles, was man nur denken kann.

Zum Bereich der realen physikalischen Welt gehört alles, was sich prinzipiell messen oder beobachten lässt, d. h. Wechselwirkungen mit anderen Objekten eingeht. Das Kriterium “Wechselwirkungen” hilft uns zu unterscheiden, was in die eine, was in die andere Welt gehört. Beispielsweise können eierlegende Wollmilchsäue in der freien Natur nicht fotografiert werden, d.h. sie können keine Photonen aussenden, die zu Wechselwirkungen mit dem Foto-Chip führen. Würde jemand mit einem Fotoapparat losziehen, um Bilder von der Wollmilchsau-Spezies zu schießen, würde man ihn zu Recht für dumm oder verrückt erklären, weil er die Realität nicht von der geistigen Welt zu unterscheiden vermag. Wenn es allerdings um die Anbetung von Gottheiten geht, dann ist die Gemeinschaft der Gläubigen geneigt, die Entitäten ihres eigenen Glaubens für real zu halten, die der Andersgläubigen aber für irreal.

Wie Schrödingers Katze die abstrakte mit der realen Welt vermischt

Die Vermischung von realer und geistiger Welt findet man nicht nur im geisteswissenschaftlichen oder theologischen Bereich, sondern genauso bei jenen Quantenphysikern, die Schrödingers Wellenfunktion als eine Beschreibung der Wirklichkeit ansehen. Zur Erinnerung: Schrödingers Wellenfunktion ist eine mathematische Formel zur Beschreibung des Zustands von Quanten vor ihrer Messung. Wäre die Wellenfunktion eine Beschreibung der Wirklichkeit, dann wäre Schrödingers Katze, die in einem Gedankenexperiment zusammen mit einem Mordinstrument in eine Kiste eingesperrt ist, vor dem Öffnen der Kiste gleichzeitig tot und lebendig.

Schrödingers Katze ist ein gutes Beispiel für die Vermischung der abstrakten Welt mit der realen physikalischen (siehe auch: „Der Widerhall des Urknalls“ ISBN 978-3848212255, S. 113). Die Wellenfunktion gehört als mathematische Formel zur abstrakten geistigen Welt, die Katze in der Kiste zur realen physikalischen. Die Vermischung der beiden Welten in einer physikalischen Theorie führt zu etwas, was in der realen Welt völliger Unsinn, in der abstrakten geistigen Welt ein erlaubtes gedankliches Konstrukt ist. Man muss sich nur im Klaren darüber sein, dass die Ergebnisse der Theorien, die beide Welten miteinander vermischen, nicht zur realen Welt gehören. Um es noch mal ganz deutlich zu sagen: Die gleichzeitig tote und lebendige Katze von Schrödingers Gedankenexperiment gehört nicht der realen Welt an.

Wie abstrakte und reale Welt miteinander verbunden sind

Zwischen der abstrakten und der physikalischen Welt gibt es nur eine Verbindung: Das sind die Prozesse. Dabei definiere ich einen Prozess in Übereinstimmung mit der DIN IEC 60050-351 als die Gesamtheit von aufeinander einwirkenden Vorgängen in einem System, durch die Materie, Energie oder Information umgeformt, transportiert oder gespeichert wird.“ Beispielsweise sind Computerprogramme Prozesse. Der Programmcode gehört zur abstrakten geistigen Welt. Die Ausführung des Programmcodes gehört zur physikalischen Welt, weil jede Durchführung eines Programmschritts eine Wechselwirkung darstellt.

Thomas Nagel ist wohl nicht bewusst, dass Prozesse die Verbindung zwischen der abstrakten geistigen und der realen Welt darstellen. Es mag völlig richtig sein, dass “Werte” nicht zur naturwissenschaftlichen Welt gehören, doch wenn Werte (= Ziele) in Prozesse (= Programme) eingebaut werden, dann verbinden sie die abstrakte Welt mit der physikalischen. Das Gleiche gilt für “Denken”. Denken formt Information um oder speichert sie. Denken kann deshalb als ein Prozess angesehen werden und der Denkprozess verbindet die abstrakte mit der realen Welt, indem etwas ausgeführt wird. Abstrakte Information wird umgeformt und physikalisch gespeichert.

Was ist aber mit dem Bewusstsein? Allgemein wird Bewusstsein als eine Entität angesehen, die je nachdem, aus welcher Fakultät der Wissenschaftler stammt, entweder einer nicht fassbaren, d. h. abstrakten, oder einer realen materialistischen, d. h. physikalischen Welt zugeordnet wird. Theologen und Geisteswissenschaftler neigen eher dazu, Bewusstsein als eine Entität der geistigen Ebene anzusehen. Dagegen ist nach meiner Überzeugung Bewusstsein ein Prozess (wie ich unter anderem in meinem Büchlein mit dem Titel “Synthetisches Bewusstsein ISBN 978-3842368033”) beschrieben habe. Damit verbindet es beide Welten, die abstrakte geistige und die physikalische.

Nagel hat insoweit recht, dass alle drei Entitäten, die den menschlichen Geist auszeichnen, sich nicht auf physikalische Gesetze reduzieren lassen. Aber sie lassen sich auf Prozesse reduzieren, die eine Verbindung zwischen der physikalischen und der abstrakten Welt darstellen.

Kann Krankheit auf überzeitliche physikalische Gesetze reduziert werden?

Wir können das bisher Gesagte anwenden und testen, indem wir einmal untersuchen, wo Krankheit einzuordnen ist. Ist Krankheit etwas abstrakt Geistiges oder ist es eine Entität der naturwissenschaftlichen Weltsicht? Nagel würde jetzt sagen: „Krankheit lässt sich nicht reduzieren auf überzeitliche physikalische Gesetze.“

Ich sehe Krankheit als ein Abweichen von der Regelhaftigkeit der Lebensvorgänge. Das Ausmaß dieses Abweichens bestimmt, ob es sich um Krankheit handelt oder nicht. Das Ausmaß ist ein abstrakter geistiger Wert. Lebensvorgänge sind Prozesse, denn in einem biologischen System, auf das sich der jeweilige Lebensvorgang bezieht, wird Materie, Energie oder Information umgeformt, transportiert oder gespeichert. Wenn es bei einem der Systemelemente zu Abweichungen kommt, dann kann das als Krankheit gelten. Weil Lebensvorgänge Prozesse sind, sehe ich Krankheit ebenfalls als einen Prozess. Da in Prozessen regelmäßig Information umgeformt, transportiert oder gespeichert wird, liegt in der Beobachtung und Einordnung der sich verändernden Information einer der Schlüssel zum tieferen Verständnis für das Wesen der Krankheit. Wie Information sich auf den Krankheitsprozess auswirkt, werde ich in einem meiner nächsten Beiträge untersuchen. – Klaus-Dieter Sedlacek

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Funktioniert unser Langzeitgedächtnis digital?

Der Hippocampus ist eine Struktur im Gehirn, die maßgeblich dafür verantwortlich ist, dass wir uns längerfristig erinnern. Personen, deren Hippocampus zerstört ist, vergessen umgehend Situationen, die sie gerade erlebt haben, oder Mitmenschen, die sie kurz zuvor gesehen haben. „Bisher nahmen wir an, dass die Informationsspeicherung im Hippocampus von der Stärke der dortigen Nervenzellverbindungen, den Synapsen, abhängig ist“, sagt Prof. Dr. Thomas Oertner, Direktor des Instituts für Synaptische Physiologie am ZMNH. Synapsen sind die Strukturen, mit denen eine Nervenzelle in Kontakt zu einer anderen Zelle, etwa einer Sinnes-, Muskel-, Drüsen- oder Nervenzelle steht. Sie dienen der Übertragung von Informationen und spielen eine wichtige Rolle bei deren Speicherung. Für ein funktionierendes Langzeitgedächtnis, so die gängige Lehrmeinung, müssen die Zellverbindungen stark sein und unbegrenzt stabil bleiben. Dieser Prozess wird als „long-term plasticity“ bezeichnet und ist seit mehreren Jahren ein zentrales Thema der neurobiologischen Forschung.

Das Team um Prof. Oertner ist jetzt zu neuen, anderen Ergebnissen gekommen. Mit experimentellen Tricks beeinflussten sie synaptische Verbindungen so, dass diese Informations-Autobahnen quasi in Tempo 30-Zonen umgewandelt wurden. „Wir haben die Stärke der Synapsen drastisch reduziert und die Zellverbindungen dann weiter beobachtet“, erläutert Prof. Oertner. Das Ergebnis nach sieben Tagen war verblüffend. „50 Prozent der manipulierten Synapsen lösten sich auf, die anderen 50 Prozent kehrten in den Ausgangszustand zurück“, sagt Dr. Simon Wiegert aus dem ZMNH, Erstautor der jetzt veröffentlichten Studie. „Eine stabile Langzeitveränderung der Synapsen gibt es offenbar nicht. Demnach muss das Langzeitgedächtnis auch anders als bislang angenommen funktionieren.“

Die Studie legt den Wissenschaftlern zufolge den Schluss nahe, dass das Gehirn ähnliche Strategien wie ein digitaler Computer verwendet, um Informationen über lange Zeiträume zu speichern. Dabei speichert der Hippocampus zunächst Information in „analoger“ Form, indem die Stärke der Synapsen verändert wird. Doch dieser Zustand ist instabil. Nach wenigen Tagen wird diese analoge Speicherung durch eine „digitale“ Form der Speicherung ersetzt – einige Synapsen fallen aus, andere kehren in den Ausgangszustand zurück. „Digitale Speicherung ist wesentlich weniger anfällig für langsamen Zerfall. Das könnte erklären, wieso wir uns an Schlüsselerlebnisse aus Kindheit und Jugend bis ins hohe Altern erinnern“, so Dr. Wiegert.

Für ihre Arbeit nutzen die Grundlagenforscher ein sogenanntes Zwei-Photonen-Mikroskop, um funktionelle Messungen an einzelnen Synapsen in intaktem Gewebe durchzuführen. Diese neue Technik erlaubt es den UKE-Wissenschaftlern erstmals, Nervenzellen im Labor über mehrere Tage hinweg kontinuierlich bei der Arbeit zu beobachten. (Quelle: idw)

Literatur:
J. Simon Wiegert and Thomas G. Oertner: Long-term depression triggers the selective elimination of weakly integrated synapses. PNAS 2013 ; published ahead of print November 4, 2013.

J. Simon Wiegert and Thomas G. Oertner (2011) Dendritische Spines: Dynamische Bausteine des Gedächtnisses. Neuroforum 1/11: 12-20.

Synthetisches Bewusstsein: Wie Bewusstsein funktioniert und Roboter damit ausgestattet werden können

Verrückte Quanten bereiten klassischer Physik Niederlage

Quantenphysikalische Teilchen können an mehreren Orten gleichzeitig sein und hinterlassen dabei sogar Spuren. Das haben Physiker der Goethe-Universität in einem verblüffenden Experiment nachgewiesen, das Albert Einstein vor mehr als 80 Jahren anregte. Damals konnte sein wichtigster Kontrahent, der Physiker Niels Bohr, ihm lediglich Argumente entgegensetzten. Jetzt geben die neuen Experimente dem Dänen Recht.

FRANKFURT. Einstein hat Zeit seines Lebens die quantenphysikalische Aussage bekämpft, dass Teilchen – solange man sie nicht beobachtet – an mehreren Orten gleichzeitig sein können. Sein wichtigstes Gegenargument war: Die geisterhaften Teilchen müssten durch Zusammenstöße mit anderen Teilchen entlang ihrer Bahn eine sichtbare Spur hinterlassen. Eben diese Spur hat Dr. Lothar Schmidt in der Arbeitsgruppe von Prof. Reinhard Dörner am Institut für Kernphysik der Goethe-Universität nun gemessen.

Das klassische Experiment, das auch heutigen Physikstudenten noch Kopfzerbrechen bereitet, ist die Streuung quantenphysikalischer Teilchen am Doppelspalt. Solange es unbeobachtet ist, scheint jedes einzelne Teilchen durch beide Schlitze des Spalts zu gehen. Es bildet – ähnlich wie Wasserwellen – ein Interferenzmuster hinter dem Spalt. Dieses verschwindet aber, sobald man eine Information über den Weg des Teilchens zu gewinnen versucht.

Einstein argumentierte, man müsse gar nicht nachsehen, wo das Teilchen ist, denn es verrate seinen Ort indirekt, indem es beim Passieren des Spalts einen Impuls überträgt: Ginge es durch den linken Schlitz, erfahre das Beugungsgitter einen minimalen Stoß nach links, und entsprechend nach rechts, wenn es durch den rechten Spalt geht. Bohr konterte, auch das Beugungsgitter verhalte sich wie ein quantenmechanisches System, das heißt, es müsse gleichzeitig in beide Richtungen abgelenkt werden.

Dass diese verrückt klingende Vermutung tatsächlich richtig ist, haben Dörner und seine Mitarbeiter jetzt durch die Streuung von Helium-Atomen an einem „Doppelspalt“ nachgewiesen. Mit den Modellen der klassischen Physik lassen sich die gemessenen Ergebnisse nicht beschreiben. „Da wir bei dieser Versuchsanordnung nicht beobachten, durch welches Loch das Teilchen gegangen ist, passiert genau das, was Bohr vorhergesagt hat: Der Doppelspalt rotiert gleichzeitig mit und gegen den Uhrzeigersinn“, erklärt Schmidt. (Quelle: idw).

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Ehernes Gesetz der Quantenphysik ausgetrickst

 

Blick in eine Ionenfalle Foto: C. Lackner/IQOQI
Blick in eine Ionenfalle
Foto: C. Lackner/IQOQI

Was nach den Regeln der Quantentheorie scheinbar nicht erlaubt ist, haben Physiker der Universität Innsbruck nun im Labor realisiert. Im Prototypen eines Quantencomputers konnte ein Team um Philipp Schindler, Thomas Monz und Rainer Blatt eine Quantenmessung vollständig rückgängig machen. Der Trick gelang ihnen mit Hilfe eines Rechenschemas für die Fehlerkorrektur in Quantencomputern.

Schon Generationen von Physikern beschäftigten sich mit Messungen in quantenmechanischen Systemen. Grund dafür sind deren nur schwer begreifliche Eigenschaften. „So ist eine Messung in der Quantenwelt nicht deterministisch“, sagt Philipp Schindler vom Institut für Experimentalphysik der Universität Innsbruck. „Auch wenn man den Zustand eines Quantenobjekts sehr genau kennt, lässt sich das Ergebnis einer Messung nicht vorhersagen.“ Wird ein Quantensystem aber gemessen, so ändert sich dadurch auch der Zustand des Systems. So liefert eine wiederholte Messung mit Sicherheit immer das gleiche Ergebnis. „Eine Messung verändert also das System unwiderruflich“, ergänzt Thomas Monz. In einem Prototypen eines Quantencomputers haben Physiker der Universität Innsbruck um Rainer Blatt nun mit Hilfe eines Fehlerkorrektur-Algorithmus eine Messung wieder rückgängig gemacht.

Auf den ersten Blick widerspricht dies den Grundlagen der Quantenmechanik, die genau das explizit verbietet. Bei genauerer Betrachtung löst sich der Widerspruch aber auf: Quanteninformation kann zum Beispiel in einem Teilchen als Überlagerung von zwei Zuständen („null“ und „eins“) gespeichert werden. Durch eine Messung wird dieses Quantenbit entweder auf „null“ oder „eins“ gesetzt und die Information aus der Überlagerung geht verloren. Durch quantenmechanische Verschränkung mehrerer Teilchen, lässt sich aber die Quanteninformation eines Teilchens auch auf mehrere Teilchen verteilen. Genau dies machen die Physiker im Labor der Universität Innsbruck. „Wir verteilen mit dem Fehlerkorrektur-Algorithmus die Quanteninformation eines einzelnen Teilchens auf drei Teilchen in einem Quantenregister. Die Messung erfolgt nur auf einem der drei Teilchen“, sagen Schindler und Monz. „Der Korrektur-Algorithmus ist dann in der Lage, die Information des gemessenen Teilchen mithilfe der zwei verbleibenden Teilchen zu rekonstruieren.“ Damit machen die Tiroler Physiker ihre Messung an dem einen Teilchen wieder rückgängig und umgehen so ein ehernes Gesetz der Quantenphysik.

Quelle: idw
Publikation: Undoing a quantum measurement. Philipp Schindler, Thomas Monz, Daniel Nigg, Julio T. Barreiro, Esteban A. Martinez, Matthias F. Brandl, Michael Chwalla, Markus Hennrich, Rainer Blatt. Physical Review Letters 110, 070403 (2013). DOI: 10.1103/PhysRevLett.110.070403

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Der Widerhall des Urknalls: Spuren einer allumfassenden transzendenten Realität jenseits von Raum und Zeit