Es ist weithin akzeptiert, dass das Bewusstsein in irgendeiner Weise mit dem Verhalten des physischen Gehirns korreliert ist. Und die Quantentheorie ist unsere grundlegendste Theorie von der physischen Welt. Da liegt es nahe zu fragen, ob und, wenn ja, wie diese beiden Domänen zusammenhängen.

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Der Messprozess spielt eine entscheidende Rolle in der Quantenmechanik. In seiner Monographie "Mathematische Grundlagen der Quantenmechanik" stellte der Physiker John von Neumann ad-hoc sein Projektionspostulat auf. Dieses charakterisiert den Messprozess (1) als diskontinuierlichen, instantanen und irreversiblen Übergang von einem Gesamt- in einen Eigenzustand. Dieser wird oft als Kollaps der Wellenfunktion bezeichnet, im Gegensatz (2) zur kontinuierlichen, einheitlichen und reversiblen Entwicklung nach der Schrödinger-Gleichung.

(1) Zeitentwicklung nach der Wellenfunktion.

(2) Zeitentwicklung nach der Schrödingergleichung.

Im vierten Kapitel geht Neumann auf die begriffliche Unterscheidung zwischen Beobachter und beobachtetem System ein. In diesem Kontext wendet er die Zeitentwicklung nach (1) und (2) an auf die allgemeine Situation eines:

(I) Messobjekts.

(II) Messinstruments.
(III) Gehirns von einem bewussten Subjekt.

Seine Schlussfolgerung lautet, dass es für das Ergebnis der Messung an (I) keinen Unterschied macht, ob die Grenze zwischen Beobachter und beobachtetem System zwischen I und (II & III) oder zwischen (I & II) und III liegt. Folglich ist es einerlei, ob bewusste Subjekte oder Detektoren als "Beobachter" gelten.

Fritz London und Edmond Bauer gehen viel weiter als Neumann.[1] In "La théorie de l'observation en mécanique quantique" schlagen sie vor, dass es tat-sächlich das Bewusstsein ist, welches den Kollaps der Wellenfunktion bewirkt.[2]

In den 1960er Jahren folgt Eugene P. Wigner diesem Vorschlag (Siehe: Wigners Freund).[3] Ab den 1980er Jahren versucht Henry Stapp vor dem Hintergrund von Neumann und Wigner das Bewusstsein quantenmechanisch zu verstehen. Hier beginnt die Suche nach einer Quantentheorie des Bewusstseins.

Inspiriert von Neumann lokalisiert Stapp die Grenze zwischen Beobachter und beobachteten System zwischen III und (I&II). Daraus folgt, dass die Wellenfunktion nur dann kollabiert, wenn sie von einem Subjekt gemessen wird. 

In seinen früheren Arbeiten[4] greift Stab Werner Heisenbergs Unterscheidung zwischen Akt und Potenz auf.[5] Stab geht damit einen entscheidenden Schritt über die operationalen Kopenhagener Deutung hinaus. Vor der Messung sind alle möglichen Ereignisse nur potentiell, bei der Messung wird eines davon aktual.

Jedes Ereignis enthält unmittelbar nach seiner Aktualisierung das Potential zur bevorstehenden Aktualisierung eines anderen Ereignisses. Da die Aktualisierung eines Ereignisses aber unmittelbar mit bewusstsein Subjekten verbunden ist, besteht Stapps wesentlicher Schritt darin, "jedem aktualistierten Ereignis einen Erfahrungsaspekt beizufügen. Letzteres nennt man das Gefühl dieses Ereignisses, und es kann als der Aspekt des tatsächlichen Ereignisses angesehen werden, der ihm seinen Status als intrinisische Aktualität verleiht."[6]

Nach Stapp stellen also nicht physische Objekte, sondern Ereignisse die grundlegenden Elemente der Realität dar. Das gilt sowohl für den physischen Akt der Zustandsreduktion als auch für den damit korrelierten bewusssten Akt der Zustandsmessung. Stapp vertritt somit eine Art Prozessontologie.[7]

Stapps Theorie: Bewusstsein und quantenmechanische Zustandsreduktionen sind durch die zugrundeliegenden Ereignisse zumindest miteinander korreliert.

Von Friedrich Beck und John C. Eccles stammt eine feiner ausgearbeitere Theorie. Sie bezieht auf bestimmte Mechanismen der Informationsübertragung am synaptischen Spalt. Diese vollziehen sich mittels Exozytose, die nach Beck und Eccles durch den quantenmechanischen Tunneleffekt ausgelöst werden soll.

Genauer soll das menschliche Bewusstsein durch eine Quantentunnelung von Elektronen zwischen der Doppellipidschicht und den präsynaptische Endigungen beeinflusst werden. Beck und Eccles gehen also davon aus, dass Bewusstsein und Gehirn zwei unterschiedliche Dinge sind, die aber aufeinander einwirken können. Ihrem Modell liegt somit ein sog. interaktionistischer Dualismus zugrunde.

Es bleibt jedoch die Frage, wie der Tunneleffekt das Bewusstsein beeinflussen kann. Diese Frage wirft zwei entscheidende Folgeprobleme auf.

Erstens: Becks und Eccles Theorie ist ein Modell der mentalen Verursachung. Die Grundidee ist, dass die unbestimmte Natur einiger Quantenzustände Raum für den Einfluss von Bewusstseinszustände auf Gehirnzustände bieten soll. Becks und Eccles selbst schreiben, dass "die mentale Wirksamkeit durch kurzzeitige Erhöhung der Exozytosewahrscheinlichkeit neurologisch wirksam wird"[8] Eine weitere Begründung für diese Annahme geben sie nicht.

Zweitens: Bewusstseinszustände können nicht mit einzelnen Synapsen, sondern nur mit neuronalen Mustern korreliert werden. Auch dieses Problem ist ungelöst.

Beck und Eccles Theorie: Bewusstsein ist ontologisch verschieden vom Gehirn, kann über den quantenmechanischen Tunneleffekt aber auf dieses einwirken.

Der theoretische Physiker Roger Penrose und der Anästhesist Stuart Hameroff entwicken ihre Theorien zunächst separat. Anfang der Neunziger arbeiten sie dann zusammen und nennen ihre Theorie "Orchestrierte Objekte Reduktion". Ende 2013 wird sie von den Autoren noch einmal grundlegend aktualisiert.

Penrose mutmaßt, dass eine zukünftige Formulierung der Zustandsreduktion Neumanns Postulat ersetzen wird. Diese wird einen realen physikalischen Prozess beschreiben, den Penrose "objektive Reduktion" nennt. Die objektive Reduktion könnte im Rahmen einer Quantengravitationstheorie formuliert werden, die anders als die bisherige Quantentheorie auch die Gravitation miteinbezieht. Die Gravitation induziert letztendlich die objektive Reduktion der Wellenfunktion, welche als ein elementarer Akt des Bewusstseins interpretiert wird.

In Bezug auf die neurowissenschaftliche Ausarbeitung von Penrose Ideen war die Zusammenarbeit mit Hameroff von entscheidender Bedeutung. Mit seinem Hintergrund als Anästhesist schlug Hameroff vor, Mikrotubuli als ein Ort in Betracht zu ziehen, bei der die objektive Reduktion stattfinden könnte.[9]

Einflussreiche Kritik an dieser Theorie äußert u.a. Max Tegmark.[10] Tegmark argumentiert, dass Quantenzustände in der thermischen Umgebung des Gehirns schnell unterdrückt werden. Es kommt zu dem Schluss, dass neuronale Superpositionen viel zu kurz wären, um für neurophysiologische Prozesse in den Mikrotubuli von Bedeutung zu sein. Hameroff erwidert, dass eine korrigierte Version des Tegmark-Modells zu Dekohärenzzeiten längere Überlebensspannen ergeben.[11] Und dass diese unter bestimmten Annahmen auf den für seine Theorie relevanten Bereich von 10 bis 100 ms ausgedehnt werden können.

In jüngerer Zeit ist eine neuartige Idee in diese Debatte eingetreten. Neuere Studien haben gezeigt, dass verschränkte Zustände auch bei hoher Temperatur aufrechtherlaten werden können. In diesen Studien wird der Effekt der Dekohärenz durch einen einfachen "Rekohärenz"-Mechanismus ausgeglichen.[12] Dies weist darauf hin, dass unter bestimmten Umständen Superpositionen auch in warmen Umgebungen wie dem Gehirn bestehen bleiben kann.

2013 hat ein Forscherteam aus Japan bei Mikrotubuli Hinweise auf Leitfähigkeitsmerkmale entdeckt, die zu erwarten sind, wenn es sich bei diesen um makroskopische Quantenobjekte handelt.[13] Penrose und Hameroff haben sich bereits zu diesen Ergebnissen geäußert, die ihren Ansatz zu stützen scheinen. Jedoch hat Pitkänen in einer fundierten Analyse gezeigt, dass diese Ergebnisse allein wohl nicht ausreichen, um die Theorie final zu bestätigen.

Abschließend lässt sich sagen, dass die Theorie von Penrose und Hameroff auf einer Reihe von philosophischen Vorannahmen gründet. Diese betreffen ein besonderes Verständnis von Poppers Drei-Welten-Lehre, Platons Ideenlehre und Gödels Unvollständigkeitssätze. Sie alle in einer Theorie zusammenzuführen ist ein hehres Unterfangen, das weiterer Arbeit bedarf, bevor es beurteilt werden kann. Es sollte nicht voreilig abgelehnt- oder feiert werden.

[1] London, F., and Bauer, E.: La théorie de l'observation en mécanique quantique (1939)

[2] Jammer, M.: The Philosophy of Quantum Mechanics (1974), Sektion. 11.3.

[3] Wigner, E.P.: Remarks on the mind-body question (1967), S. 171 - 184.

[4] Stapp, H.: A quantum theory of the mind-brain interface (1993), S. 145-172

[5] Heisenberg, W.: Physics and Philosophy (1958)

[6] Stapp, H.P.: A quantum theory of the mind-brain interface (1993), S. 149

[7] Stapp, H.P.: Clarifications and specifications (2006), S. 67–85

[8] Beck, F., and Eccles, J.: Quantum aspects of brain activity and the role of consciousness (1992), S. 11360

[9] Hameroff, S.R., and Penrose, R.: Conscious events as orchestrated spacetime selections (1996), S. 36–53

[10] Tegmark, M.: Importance of quantum decoherence in brain processes (2000), S. 4194 – 4206

[11] Hagan, S., Hameroff, S.R., und Tuszynski, J.A.: Quantum computation in brain microtubules: Decoherence and biological feasibility (2002)

[12] Li, J., und Paraoanu, G.S.: Generation and propagation of entanglement in driven coupled-qubit systems (2009)

[13] Sahu, S., Ghosh, S., Hirata, K., Fujita, D., undBandyopadhyay, A.: Multi-level memory-switching properties of a single brain microtubule (2013)

Stand: 2019

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