Die Quantenwelt – der Platz des Bewusstseins?

Die Erklärung des Bewusstseins ist unsere Sache, meinen die Naturwissenschaftler. Doch welcher theoretische Ansatz ist der Richtige? Der Matehmatiker Sir Roger Penrose glaubt als einer von wenigen, dass das Geheimnis des Bewusstseins in der Quantentheorie liegt.

Wir sitzen hier zusammen mit Ihrem acht Monate alten Sohn. Verändern solche Erfahrungen mit Kleinkindern eigentlich ihr Nachdenken über das Bewusstsein?

Wenn man diesem jungen Menschen zusieht, wie er die Welt entdeckt, erscheint eine Sache offensichtlich: Auch Kleinkinder sind bewusste Personen. Sicherlich ist es schwierig, herauszufinden, was wirklich in ihren Köpfen vorgeht. Doch darum geht es nicht. Erlebt man, wie ein kleines Kind heranwächst, erscheint jeder Ansatz unsinnig, der Bewusstsein als eine Form des Rechnens theoretisch erfassen will.

Ende der 90er Jahre erklärten Wissenschaftler wie Francis Crick öffentlich, nun sei die Hirnforschung so weit, sich an die Erklärung des Bewusstseins heranwagen zu können. Teilen Sie diese Einschätzung?

Nein. Wir sind noch weit davon entfernt, das Bewusstsein wirklich verstehen zu können. Stuart Hameroff und ich haben diesbezüglich einen eigenen, unkonventionellen Ansatz entwickelt, der von den Theorien anderer Forscher doch recht weit entfernt ist. Gewiss gibt es heute erstaunliche technische Möglichkeiten für die Erforschung des Gehirns. Denken sie etwa an die modernen Methoden der Bilderkennung, welche die bei Denkprozessen aktiven Teile des Gehirns sichtbar machen. Doch ich glaube nicht, dass uns diese Techniken wirklich helfen werden, das Bewusstsein verstehen zu können.

Trotzdem gibt es heute eine ganze Reihe von Vorschlägen, wie man Bewusstsein naturwissenschaftlich erklären könnte. Gibt es darunter auch solche, welche Sie persönlich für vernünftig halten?

Der Fortschritt in der Hirnforschung ist zweifellos beeindruckend und es gibt viele sehr gute Theorien, um Teilaspekte der Funktionsweise des Gehirns erklären zu können. Doch meines Erachtens ist das Problem des Bewusstseins viel tiefer und steht in einem engen Bezug zu den fundamentalen physikalischen Theorien über unsere Welt. Wissenschaftler gehen üblicherweise nicht mit einer solchen Grundeinstellung an das Problem des Bewusstseins heran. Sie halten das Bewusstsein als ein Resultat irgend einer Form von Berechnung, die im Hirn stattfindet. Ich glaube nicht, dass dieser Ansatz sehr weit führt. Lässt man sich bei der Bewusstseinsforschung von dieser Idee leiten, wird man höchstens herausfinden, wie das Gehirn eben nicht funktioniert. Meiner Ansicht nach wird man die Lösung an der Grenze zwischen der klassischen Welt und der Quantenwelt finden. Man wird Experimente kreieren müssen, die uns das Zusammenspiel zwischen diesen beiden Welten verstehen lassen. Das wird zu den Erklärungen führen, die wir brauchen.

Was bedeutet es überhaupt, Bewusstsein zu „erklären“?

Grundsätzlich halte ich dies für eine noch offene Frage. Selbst wenn etwa unsere Theorie korrekt sein sollte, haben wir damit noch keine Erklärung dafür gefunden, wie etwa subjektive Erfahrungen zustande kommen. Dies ist ein weit schwierigeres Problem. Meines Erachtens wird eine naturwissenschaftliche Theorie des Bewusstseins eine neue Perspektive auf das Problem liefern, nicht aber eine eigentliche Antwort geben können. Dies kann ich am Beispiel der Gravitation erläutern: Als dieser Begriff von Issak Newton eingeführt wurde, gab es eine grosse Diskussion darüber, was „Gravitation“ überhaupt sein soll. Albert Einstein schliesslich setzte Gravitation in seiner allgemeinen Relativitätstheorie in Bezug zur Krümmung der Raumzeit. Dies erklärt Gravitation in einem gewissen Sinn, doch man könnte jetzt natürlich fragen, was „Krümmung der Raumzeit“ sein soll. Bei „Bewusstsein“ wird das ähnlich sein. Wir werden vielleicht einmal sagen können, welche physikalischen Eigenschaften ein bewusstes Objekt notwendigerweise haben muss oder ob es verschiedene Grade von Bewusstsein gibt. Eine solche naturwissenschaftliche Einsicht wird sicherlich auch grosse praktische Auswirkungen haben. Vielleicht werden wir feststellen müssen, dass auch gewisse Tiere Bewusstsein bis zu einem bestimmten Grad haben. Oder vielleicht stellen wir fest, dass gewisse Formen der Anästhesie das Bewusstsein gar nicht vollständig abschalten, wie wir bisher geglaubt haben.

Die meisten naturwissenschaftlichen Ansätze zur Erklärung des Bewusstseins setzen auf der Ebene der Nervenzellen an und betrachten die höheren Hirnleistungen als eine Form „biologischer Berechnung“. Warum genau sind Sie der Ansicht, dass dieser konventionelle Ansatz falsch sein soll?

Kürzlich erzählte mir einer ein Zitat von Alan Turing. Er philosophierte darüber, welche Rechenleisten man wohl benötigen würde, um eine Maschine mit menschlichen Fähigkeiten bauen zu können. Er nannte einen Faktor hundert, gemessen an den Rechenmaschinen seiner Zeit. Diese Prognose erscheint uns heute unsinnig: Die Rechenleistung der Computer hat sich enorm gesteigert, doch auch heute besitzen wir keine Maschine, welche etwa den Turing Test besteht. Ich will damit nicht sagen, dass der Ansatz, Hirnleistung durch die Konzepte der Berechenbarkeit verstehen zu wollen, grundsätzlich unvernünftig ist. Meine Skepsis fundiert im sogenannten Gödelschen Unvollständigkeitssatz, mit welchem ich mich bereits während meiner Studienzeit in den 50er Jahren beschäftigte. Der Satz sagt uns kurzgefasst, dass wir in einem mathematischen System wahre Aussagen haben können, die nicht auf die Axiome des Systems zurückgeführt werden können, also nicht beweisbar sind. Da wir aber mit unserem Bewusstsein Mathematik betreiben und uns die von Gödel offengelegten Zusammenhänge klar machen können, kann ich nicht glauben, dass ein Computer das richtige Modell für die Vorgänge im Gehirn sein soll. Es ist schwer verständlich, dass eine gewisse Form von Berechnung Bewusstsein hervorrufen soll.

Können Sie eine kurze Erläuterung des Begriffs „berechenbar“ geben?

Das Kozept der Berechenbarkeit wurde Mitte des 20. Jahrhunderts durch Alan Turing formalisiert. Er hatte damit erstmals eine präzise Definition von „berechenbar“ geliefert – und zwar mit Hilfe eines hypothetischen Computers, der sogenannten Turing-Maschine. Eine mathematische Funktion, welche mit dieser Maschine berechnet werden kann, nennen wir berechenbar. Natürlich wusste schon Turing, dass es mathematische Probleme gibt, die nicht in diesem Sinn berechenbar sind. Ich nenne ihnen ein kleines Beispiel: Stellen Sie sich vor, wir hätten ein unendlich grosses Schachbrett. Wir können nun einige Kartonquadrate von der Grösse der Schachbrettfelder zusammenkleben und erhalten sogenannte Polyominos. Nehmen wir nun an, wir hätten einige Sorten solcher Polyominos und von jeder Sorte unendlich viele. Können wir das unendlich grosse Schachbrett damit vollständig bedecken, so dass es nirgendwo eine Lücke gibt? Wir wissen, dass dieses Problem in einigen Fällen keine berechenbare Lösung hat. Müsste eine Turing-Maschine dieses Problem lösen, können wir nicht herausfinden, ob die Maschine je stoppt. Dies ist eine Variante des berühmen „Halte-Problem“, welches eine fundamentale Grenze der Berechenbarkeit darstellt.

Warum sollte denn nun die Quantentheorie eine wichtige Rolle bei der Erklärung des Bewusstseins einnehmen?

Ein Grund warum ich glaube, dass wir auf eine solche fundamentale Ebene gehen müssen ist der Folgende: Bewusstsein ist ein tiefes und wichtiges Phänomen der physikalischen Welt. Ich finde es seltsam, dass gewisse Leute dieses Phänomen schon fast herabsetzen. Der auf der Berechenbarkeit beruhende Ansatz erweckt den Eindruck, Bewusstsein sei keine grosse Sache – „no big deal“, wie die Amerikaner sagen. Doch durch das Bewusstsein wird sich das Universum gewissermassen selbst gewahr. Wie kann das Bewusstsein lediglich eine Folge von Berechnungsprozessen sein? Ich halte das für eine sehr oberflächliche Form von physikalischem Verständnis.

Also „Bewusstsein ist tief“, „Quantentheorie ist tief“ und deshalb gehören die beiden Dinge irgendwie zusammen...?

Natürlich ist dies kein schlüssiges Argument. Einige meiner Kritiker behaupten, ich würde so argumentieren. Der Grund warum ich glaube, dass hier eine Beziehung besteht, liegt nicht in der Quantentheorie selbst. Er liegt in ihrer Verknüpfung mit der sogenannt klassischen Theorie, also Einsteins Theorie der Gravitation. In beiden Theorien verwenden wir Gleichungen, welche mit der Idee der Berechenbarkeit vereinbar sind – und meiner Ansicht nach keinen Raum für das Bewusstsein lassen. Ich sage nicht, Bewusstseins sei irgend ein Mysterium, das der Wissenschaft prinzipiell nicht zugänglich ist. Ich halte Ausschau nach einer Form von physikalischer Aktivität, welche mit der Idee der Berechenbarkeit nicht vereinbar ist und demnach gewissermassen Platz für das Bewusstsein lässt. Die Grenze zwischen der klassischen Welt und der Quantenwelt scheint mir so ein Ort zu sein. Doch die Theorie – die Quantengravitation –, welche die physikalischen Vorgänge an dieser Grenze beschreibt, fehlt derzeit noch.

Es gibt aber unterschiedliche Interpretationen der Quantentheorie. Inwiefern wird Ihre Theorie dadurch beeinflusst?

Die konventionelle Interpretation der Quantentheorie ist die sogenannte Kopenhagen-Interpretation. Damit wird gesagt, dass es eigentlich unsinnig ist zu fragen, wie die Quantenwelt „wirklich“ ist. Die Quantentheorie ist lediglich ein Instrument, um experimentelle Voraussagen zu machen – übrigens eines der bestüberprüftesten Instrumente überhaupt in der Physik. Der Standpunkt, den Stuart Hameroff und ich vertreten, ist hingegen ein anderer. Wir glauben, dass der Quantenformalismus lediglich eine Approximation ist, welche dann nicht mehr funktioniert, wenn die Gravitation einbezogen wird. Das Problem ist also, Quantentheorie und allgemeine Relativitätstheorie zu verbinden – eine der grossen offenen Fragen der Physik. Viele Physiker glauben, dass bei einer solchen Fusion lediglich die Relativitätstheorie angepasst werden müsste, Wir sehen das anders – beide Theorien werden ändern müssen.

Manche kritisieren, man bringe nur deshalb die Quantentheorie ins Spiel, um den freien Willen des Menschen zu retten. Ist dies so?

Ich glaube schon, dass zwischen theoretischen Ansätzen basierend auf der Quantentheorie und dem freien Willen eine Beziehung bestehen kann. Doch dies ist nicht der Grund, dass Quantentheorie für eine Theorie des Bewusstseins wichtig ist. Der freie Wille ist ein sehr schwieriges Problem. Ich benutze das Argument des freien Willens auch nicht in meiner Theorie – hauptsächlich deshalb, weil ich noch so recht weiss, wohin damit.

Ein möglicher Weg, Bewusstsein zu erklären, könnte auch darin bestehen, es „nachzubauen“. Wird es nach den Forschungsprogrammen „künstliche Intelligenz“ und „künstliches Leben“ nun bald auch ein solches namens „künstliches Bewusstsein“ geben?

Solche Ideen werden meist von Leuten aufgeworfen, die an ein Computermodell des Gehirns und damit auch des Bewusstseins glauben. Ich glaube nicht, dass wir nahe an einem solchen Projekt sind. Doch sicherlich werden einige Aspekte der Hirnforschung einen grossen Einfluss auf neue technische Entwicklungen haben.

Francis Crick sagte, die Philosophen hätten nun mehr als zweitausend Jahre Zeit gehabt, das Bewusstsein zu erklären – doch sie haben es zu nichts gebracht. Nun sei die Zeit der Naturwissenschaftler gekommen. Teilen Sie die Einschätzung von Crick?

Das ist eine schwierige Frage. Man sollte wohl von den Philosophen, die im Gebiet des Bewusstseins arbeiten, ein gewisses naturwissenschaftliches Grundwissen erwarten. In der Quantentheorie gibt es heute eine Reihe von Philosophen, die eine ganze Menge von Physik verstehen. Sie spielen dort eine wichtige Rolle. Sie stellen die guten Fragen, doch geben nicht unbedingt die richtigen Antworten. Eine solche Rolle der Philosophie könnte ich mir auch in der Hirnforschung vorstellen: Sie müssen eine kritische Rolle spielen. Naturwissenschaftler neigen dazu, viel zu optimistisch zu sein. Dies ist nicht wirklich ein Problem und vielleicht sogar eine notwendige Voraussetzung, um überhaupt Naturwissenschaft zu betreiben. Philosophen wiederum müssen wohl eher die Pessimisten sein – sie sehen die Schwierigkeiten.

Neuronen und Quanten

Naturwissenschaftliche Bewusstseinserklärer sind Materialisten: Sie glauben nicht an die Existenz irgend einer „geistigen Substanz“ im Sinne des Dualisten René Descartes. Die Materie des Gehirns schafft den Geist. Doch wie genau das geschehen soll, ist heute alles andere als geklärt. Immerhin sehen sich manche Neurowissenschaftler heute in der Lage, Theorien für das Bewusstsein aufstellen zu können. Gesucht wird nach dem „neurobiologischen Korrelat des Bewusstseins“, also nach jenen Prozessen auf der Ebene der Nervenzellen (Neuronen), welche in einem direktem Bezug zu den bewussten Vorgängen stehen sollen, welche durch die Neuronen erzeugt werden. Ein solcher Sucher ist der Nobelpreisträger Francis Crick (Buch: „The Astonishing Hypothesis: The Scientific Search for The Soul”).

Ein anderer Nobelpreisträger, Gerald M. Edelman, baute sich gar in San Diego ein Institut („The Neuroscience Institute“), das sich unter anderem mit der neurowissenschaftlichen Erklärung des Bewusstseins befassen soll. Kürzlich veröffentlichte er zusammen mit Giulio Tononi eine umfassende Theorie des Bewusstseins, basierend auf Konzepten wie Komplexität und Evolution („A Universe of Consciousness. How Matter becomes Imagination“). Für Edelman steht ausser Zweifel, dass es dereinst bewusste Artefakte gibt: „Wir werden sicher zuerst künstliches Bewusstsein schaffen, bevor wir auf ausserirdische Intelligenzen stossen.“

Nur wenig Wissenschaftler wagen sich auf die Ebene der Quantentheorie, um Erklärungen für das Bewusstsein zu finden. Dies hängt wohl auch damit zusammen, dass gewisse Interpretationen der Quantentheorie nur schwer mit dem „normalen“ Verständnis der Welt zusammenpassen. So kann Licht sowohl als immateriele Welle wie als Teilchenstrom aufgefasst werden – was wirklich passiert, wird durch die Anordnung des Experiments bestimmt. Die Quantentheorie beschreibt sehr kleine Systeme wie Elementarteilchen, Atome und Moleküle und hat sich ungeachtet aller Probleme ihrer Interpretation im Experiment bisher hervorragend bewährt. Ein grosses offenes Problem ist die Verbindung der Quanthentheorie mit der Theorie des „ganz Grossen“, der auf der allgemeinen Relativitätstheorie beruhenden Kosmologie. Diese Verbindung wird Quantengravitation genannt.

Ob nun die Quantentheorie für die Hirnforscher wirklich von Interesse sein soll hängt davon ab, ob sich Quanteneffekte im Hirn überhaupt bemerkbar machen können. Das Problem von Quantenzustände ist nämlich, dass sie sehr „empfindlich“ sind und zusammenbrechen, wenn sie mit der Umwelt interagieren. Penrose und der Mediziner Stuart Hameroff glauben, dass bestimmte, hochgeordnete Zellstrukturen der Neuronen (sogenannte Mikrotubuli) der Ort sein könnte, wo Quantentheorie ins Spiel kommen könnte. Andere Forscher wie Edelman halten solche Ideen schlicht für irrelevante „Quantenmystik“.

Berechenbarkeit, Gödel und die Suche nach Wahrheit

Der moderne Begriff der Berechenbarkeit hat Wurzeln, die bis ins Mittelalter zurückgreifen. Bereits um 1300 suchte der katalanische Mystiker, Dichter und Missionar Rámon Llull nach einer allgemeinden Methode zur Auffindung aller „Wahrheiten“ auf kombinatorischer Grundlage. Llulls Gedanken beeinflussten unter anderem Gottfried Wilhelm Leibnitz, der eine Rechenmaschine konzipierte und damit als erster die wesentlichen Ansätze eines Kalküls beschrieb – also einer rein formalen Methode, um aus bestimmten Aussagen (Zeichenketten) andere Aussagen zu gewinnen. In diese Zeit fallen auch die Versuche verschiedenster Wissenschaftler zur Klärung des Begriffs Algorithmus als eindeutig formulierbare Vorschrift zur Lösung von Problemen.

Die bedeutendsten Entwicklungen zur Formalisierung der Idee der Berechenbarkeit passierten Ende des 19. bis Mitte des 20. Jahrhunderts. Logiker wie Gottlob Frege postulierten den Logizismus: Mathematik ist auf Logik zurückführbar und es gibt einen Algorithmus, um jede mathematische Wahrheit zu finden. Die Mathematik als „Königsleistung“ des menschlichen Geistes wir damit zu einer von Rechenmaschinen bewältigbaren Aufgabe – eine weitere Kränkung des Menschen. Doch bereits Bertrand Russell und Alfred North Whitehead fanden im sogenannten Russells Paradox ein erstes – noch behebbares – Problem des Logizismus. Gödels Unvollständigkeitssatz versetzte 1931 dem Logizismus endgültig dem Todesstoss, indem er aufzeigte, dass in jedem formalen System mit der Mächtigkeit der Arithmetik (welche also die Zahlen enthält) wahre Sätze enthalten sind, die nicht auf die Axiome des Systems zurückgeführt werden können.

Gödels Satz hat auch Auswirkungen auf die Theorie der Berechenbarkeit, welche 1936 von Alan Turing in die heute gültige Form gebracht wurde. Er postulierte die sogenannte Turingmaschine, ein abstrakter Computer. Eine solche Maschine besteht vereinfacht aus einem Alphabet von Zeichen, einem Speicher, und Regeln, wie bestimmte Zeichen durch andere ersetzt werden sollen. Die Zeichen repräsentieren mathematische Ausdrücke. Berechenbar ist eine mathematische Funktion dann, wenn die Turingmaschine dasselbe tun kann wie die mathematische Funktion, also für jeden Ausgangswert das richtige Resultat gibt. Heute geht man davon aus, dass die Turingmaschine das universelle Modell für die Berechenbarkeit ist: Alles, was berechenbar ist, kann eine Turingmaschine berechnen. Dies ist die sogenannte Church-Turing-These, welche bisher aber noch nicht bewiesen wurde.

Aus Gödels Satz lässt sich nun auch herleiten, dass es Funktionen gibt, bei welchen man nicht entscheiden kann, ob die Turingmaschine sie berechnen kann: Man weiss nicht, ob die Maschine je anhalten wird. Ein Mathematiker kann mit solchen nichtberechenbaren Funktionen aber umgehen. Damit wird Gödels Satz zu einem zentralen Argument all jener, welche nicht glauben, dass Bewusstsein ein rein rechnerischer Prozess ist.

Sir Roger Penrose: Der heute 70jährige Mathematiker Sir Roger Penrose ist Mathematikprofessor an der Universität Oxford in England. Für seine wissenschaftlichen Beiträge zur Kosmologie (insbesondere zur Theorie der Scharzen Löcher) und zur Parkettierungstheorie erhielt er zahlreiche wissenschaftliche Auszeichnungen und den Adelstitel der britischen Krone. Seine Physik des Bewusstseins skizzierte er in bisher drei veröffentlichten Büchern („Computerdenken“, „Schatten des Geistes“, „Das Grosse, das Kleine und der menschliche Geist“). Penrose ist in zweiter Ehe verheiratet und Vater von vier Kindern.