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Sensationelle Erkenntnis: Verletzung der Kausalität in der Natur möglich

Ein tief verwurzeltes Konzept in der Wissenschaft und in unserer Alltagserfahrung ist die Kausalität: die Idee, dass gegenwärtige Ereignisse durch vergangene Ereignisse verursacht werden und dass gegenwärtige Ereignisse wiederum zukünftige Ereignisse verursachen. Wenn ein Ereignis A eine Wirkung B verursacht, kann B nicht auch A verursachen. Nun zeigen theoretische Physiker von der Universität Wien und der Université Libre de Bruxelles, dass in der Quantenmechanik eine Situation vorstellbar ist, in der ein einzelnes Ereignis zugleich Ursache und Wirkung eines anderen Ereignisses sein kann. Die Forschungsergebnisse dazu erscheinen in der aktuellen Ausgabe von “Nature Communications”. Sensationelle Erkenntnis: Verletzung der Kausalität in der Natur möglich weiterlesen

Was ist das Wesen von Raum und Zeit?

Grundfragen der Naturwissenschaft:

Was ist Realität? Warum läuft Zeit immer nur in eine Richtung? Was bedeutet Kausalität, also die eindeutige Zuordnung von Ursache und Wirkung? Antworten auf diese Fragen der modernen Naturphilosophie liefert die Quantenphysik. Aber auch in der Biologie spielt beispielsweise die Frage nach der Kausalität eine grundlegende Rolle.

Allerdings wirft die Frage nach der Kausalität in der Genetik Fragen auf, die sich nur philosophisch beantworten lassen. So fand das Problem, das die Rolle der Gene im Organismus betrifft, erst kürzlich eine befriedigende Lösung. Gene gelten als Informationsträger, die den Aufbau der Proteine in einem Organismus bestimmen. Zur Herstellung von Eiweißstoffen bedarf es jedoch einer äußerst komplexen biochemischen Maschinerie, zu der auch so genannte Ribosome sowie Hunderte von Enzymen gehören.

Deshalb schreibt die Entwicklungssystemtheorie allen Bestandteilen einer lebenden Zelle die gleiche kausale Rolle zu. Diese Ansicht lässt sich rein empirisch (also nur durch Experimente) nicht widerlegen, sondern nur durch philosophische Überlegungen. Die Lösung des Problems gelang durch Unterscheidung zwischen aktuellen und potenziellen Einflussgrößen: Die einen variieren tatsächlich, die anderen könnten es zwar, tun es aber nicht. Zusätzlich ist es nötig, den Begriff der so genannten kausalen Spezifität einzuführen. Sie ist erfüllt, wenn jede Ursache eine eindeutige Wirkung hat und jede Wirkung nicht zu viele verschiedene Ursachen. Mit diesen beiden Begriffen lässt sich die besondere kausale Rolle der Gene bei der Proteinsynthese begründen.

Ein Beispiel betrifft die Ontogenese: die Entwicklung vom Embryo zum ausgewachsenen Organismus. Als Hauptkontrollgene dafür gelten so genannte Homöobox-Gene, die Forscher zuerst bei der Taufliege und später bei vielen anderen Organismen einschließlich des Menschen identifiziert haben. Dabei sind an der Embryonalentwicklung eines Tiers Tausende verschiedener Faktoren beteiligt. Sie beginnt in einer befruchteten Eizelle, die nicht bloß aus Genen besteht, sondern ein chemisch äußerst komplexes Gemisch von diversen Nukleinsäuren, Proteinen, kleineren Molekülen und Fetten ist. Der Einwand “Aber die Gene steuern die Entwicklung” ist aus streng kausaltheoretischer Sicht nicht zulässig; denn “steuern” setzt einen Steuermann voraus – ein absichtlich handelndes Wesen, das es offensichtlich nicht gibt.

Noch tiefer reichen die Fragen in der Physik. Naturphilosophie versucht da nicht weniger als die Grundlagen der Natur zu klären – etwa, was Objekte, Raum und Zeit, Kausalität, Zeitrichtung und Naturgesetze sind. Die Quantenphysik erfordert es, die klassische atomistische Sicht der Natur durch eine holistische Perspektive zu ersetzen. Wie der Übergang von quantenmechanischen Phänomenen zu klassischen Eigenschaften genau abläuft, ist dabei eine offene Frage. (Quelle: Spektrum der Wissenschaft, Juni 2011)

Buchtipp:
Supervereinigung: Wie aus nichts alles entsteht. Ansatz einer großen einheitlichen Feldtheorie

Emergenz: Komplexität bestimmt die Welt

Video: Einführungsveranstaltung zur Ringvorlesung “Die Welt des Komplexen: Emergenz, Evolution und Kausalität” am 23.10.2007

FRANKFURT. Komplexität zieht sich als Leitmotiv durch nahezu alle heutigen Naturwissenschaften und gewinnt zunehmend an Bedeutung. Am Anfang der wissenschaftlichen Revolution der Neuzeit stand das Bestreben, das Naturgeschehen durch wenige und möglichst einfache Gesetzmäßigkeiten erfassen und verstehen zu können.

Dieses Programm im Sinne des Reduktionismus war von spektakulären Erfolgen gekrönt und hat die Welt entscheidend verändert. Die Suche nach fundamentalen Bausteinen und Gesetzmäßigkeiten hat auch heute nichts von ihrer Bedeutung verloren. Dennoch ist nicht zu übersehen, dass die real existierenden Objekte der Naturbeschreibung in der Regel alles andere als einfach sind. Nahezu überall stößt man auf komplexe Systeme, die sich aus miteinander wechselwirkenden Subeinheiten zusammensetzen und bei denen das Ganze mehr ist, als die Summe seiner Teile. Das Verständnis derartiger komplexer Systeme, charakterisiert durch Begriffe wie Strukturbildung, Selbstorganisation und Emergenz neuer Eigenschaften, gehört zu den zentralen Herausforderungen an die modernen Wissenschaften.

Die Biologie steht vor der Herausforderung, die Funktion und die Organisationsprinzipien der aus Evolutionsprozessen hervorgegangenen komplexen Systeme im lebenden Organismus aufzuklären. Dies gilt für die Funktion einzelner Biomoleküle oder Molekülkomplexe und für molekulare Netzwerke und Regelkreise innerhalb der Zelle (metabolische und Proteom-Genom-Netzwerke), für das Zusammenspiel von Zellen in Organen oder für das Immunsystem.

In den Neurowissenschaften steht das wohl komplexeste in der Natur existierende System im Zentrum der Untersuchungen, das Gehirn. Die Analyse des Aufbaus und der Funktionsprinzipien der riesigen, eng verflochtenen Netze von Neuronen im Gehirn, die letztlich für die kognitiven, mentalen und psychischen Prozesse bei Mensch und Tier verantwortlich sind, macht rapide Forschritte, wenn auch der Weg zu einem detaillierten Verständnis noch sehr weit ist.

In der Physik, die als erste der Naturwissenschaften den Weg zu einem quantitativen und theoretisch-mathematisch fundierten Verständnis beschritten hat, standen zunächst einfache, gut analysierbare Teilsysteme im Vordergrund. Spätestens mit der Entwicklung der nichtlinearen Dynamik und der Chaostheorie im 20. Jahrhundert wurde jedoch auch hier die Rolle der Komplexität klar. Das gilt für fast alle Vielteilchensysteme, ja selbst das Vakuum weist im Rahmen der Quantentheorie Züge großer Komplexität auf.

Die Rolle der Komplexität in der Chemie folgt schon aus ihrer Verankerung in der Physik, da chemische Moleküle Paradebeispiele für Vielteilchensysteme darstellen. Struktur, Funktion und Dynamik großer Makromoleküle sind im Grenzbereich zwischen Chemie, Physik und Biologie angesiedelte Fragestellungen. Von den supramolekularen chemischen Strukturen, die die Grundlage vieler Prozesse in der lebenden Zelle bilden, gibt es einen nahtlosen Übergang zum aktuellen Gebiet der atomaren Cluster und Nanostrukturen mit großem technischem Anwendungspotenzial. Quelle: idw
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Emergenz: Strukturen der Selbstorganisation in Natur und Technik

Vereinigung von Relativitätstheorie und Quantenphysik gelungen?

Video: Stimmt die Relativitätstheorie?

QUANTENGRAVITATION – Ein neues Quantenmodell von Raum und Zeit

Im Großen wird das Universum von der Gravitation beherrscht, aber im Kleinen zerfällt es in Quanten – wie passt das zusammen? Wie sind Raum und Zeit entstanden? Wie haben sie die glatte vierdimensionale Leere gebildet, die unserer physikalischen Welt als Bühne dient? Wie sehen sie im allerkleinsten Maßstab aus? Solche Fragen streifen die äußersten Grenzen der modernen Wissenschaft und treiben die Suche nach einer Theorie der Quantengravitation voran; sie wäre die lang ersehnte Vereinigung von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie mit der Quantenphysik.

Die Relativitätstheorie beschreibt, wie die Raumzeit im Großen unzählige verschiedene Formen anzunehmen vermag und das hervorruft, was wir als Schwerkraft wahrnehmen. Hingegen beschreibt die Quantentheorie die physikalischen Gesetze im atomaren und subatomaren Maßstab, wobei sie Gravitationseffekte völlig ignoriert. Eine Theorie der Quantengravitation soll das Wesen der Raumzeit in den kleinsten Größenordnungen durch Quantengesetze beschreiben und womöglich durch gewisse fundamentale Bausteine erklären.

Seit einigen Jahren entwickeln drei Kosmologen – der Däne Jan Ambjørn, der Pole Jerzy Jurkiewicz und die Deutsche Renate Loll – ein viel versprechendes Modell des Quantenuniversums. In der Februarausgabe von Spektrum der Wissenschaft beschreiben sie ihr „fast peinlich simples“ Rezept: Man nehme ein paar einfache Zutaten, füge sie nach wohlbekannten Quantenregeln zusammen, rühre gut um, lasse den Teig rasten, und fertig ist die Quantenraumzeit. Der Prozess ist so unkompliziert, dass er sich auf einem Laptop simulieren lässt.

Um die Raumzeit zu modellieren, lassen sich die drei Forscher von einem Verfahren inspirieren, das in der Computergrafik gang und gäbe ist: Man legt dort über gekrümmte Flächen, etwa Körper oder Gesichter, ein Gitter aus kleinen Dreiecken. Im Fall der Raumzeit braucht man dafür allerdings nicht flache Dreiecke, sondern vierdimensionale Tetraeder. Aus diesem Mosaik entsteht, wenn man die einzelnen Bausteine gewissen Regeln unterwirft, fast von selbst ein Modell der gequantelten Raumzeit.

Die wichtigste Bauanleitung betrifft die Kausalität. In benachbarten Bausteinen müssen Ursache und Wirkung zeitlich in gleicher Richtung aufeinander folgen. Mit anderen Worten: Nachbarn haben den gleichen Zeitpfeil. Diese simple Vorschrift reicht aus, damit die Raumzeit sich im Großen von selbst zu einer vierdimensionalen Gesamtheit ordnet. Die Forscher vergleichen diese Selbstorganisation mit dem Verhalten eines Vogelschwarms, in dem die einzelnen Vögel nur den nächsten Nachbarn folgen – und doch verhält sich der Schwarm wie ein kompaktes Ganzes.

Interessanterweise ist dieses Modell zwar im Großen vierdimensional, wie es sich für die Raumzeit gehört, aber im Kleinen entpuppt sich die Anzahl der Dimensionen als variable, gebrochene Größe – als Fraktal. Solche selbstähnlichen Strukturen lassen offen, ob es kleinste „Atome“ der Raumzeit gibt oder ob die fraktalen Muster sich bis ins unendlich Kleine fortsetzen. Die Forscher hoffen, dies zu klären, wenn sie ihr fraktales Modell der leeren Raumzeit mit Materie füllen. (Quelle: Spektrum der Wissenschaft, Februar 2009)

Ein völlig anderes Modell zur Erklärung des Zusammenhangs von Relativitätstheorie und Quantenphysik findet sich im Buch Unsterbliches Bewusstsein: Raumzeit-Phänomene, Beweise und Visionen. Dort wird aufgrund naturwissenschaftlicher Methoden und bisher unerklärlicher Quantenphänomene gefolgert, dass Bewusstsein der fundamentale Baustein von allem ist, was existiert. Desweiteren wird gezeigt wie sich die Einsteinsche Raumzeit als eine Folge von Bewusstsein darstellt.