Navigation und Service

Gedankenexperimente: Alles im Kopf

Die Welt hinterfragen, Grenzen des Denkens überwinden und zusammenbringen, was scheinbar nicht zusammengehört – Gedankenexperimente sind ein oft unterschätztes Werkzeug für die Wissenschaft. Auch in Jülich sind sie hilfreich für die Forschung.

Zeichnung: Eine Frau im Vordergrund und ein Mann im Hintergrund mit Darstellungen, was in ihrem Kopf vorgeht. / Drawing of a woman and a men and their thinking processes.Copyright: Forschungszentrum Jülich / Constanza Rojas-Molina

Man nehme: Zwillinge und ein Raumschiff, das fast so schnell ist wie das Licht. Einer der beiden reist in seinem Raumschiff mit rasender Geschwindigkeit durch die Galaxis, der andere bleibt zu Hause. Als der Weltraumreisende nach langer Zeit zurückkehrt, stellt er erstaunt fest, dass sein Zwillingsbruder auf der Erde nun um Jahre älter ist als er. Natürlich geht es hier nicht um ein reales Geschehen. "Das sogenannte Zwillingsparadoxon", erklärt Prof. Bert Heinrichs vom Institut für Neurowissenschaften und Medizin, "ist ein Gedankenexperiment." Erdacht wurde es vor gut 100 Jahren von Albert Einstein, der damit auf anschauliche Weise die – durchaus realen – Konsequenzen einer Relativitätstheorie aufzeigte: Die im Zwillingsparadoxon beschriebene Dehnung der Zeit ist etwa der Grund dafür, dass bestimmte Teilchen aus der kosmischen Strahlung überhaupt die Erde erreichen. Und Satellitennavigationssysteme funktionieren nur deshalb so verlässlich, weil sie solche Effekte berücksichtigen.

Mit Gedankenexperimenten beschäftigt Bert Heinrichs sich ständig. Er ist Philosoph, einer von insgesamt sieben, die derzeit im Bereich "Ethik in den Neurowissenschaften" (INM-8) ethischen Fragestellungen in den Naturwissenschaften nachgehen. "Gedankenexperimente sind ein Werkzeug der Fantasie, das einem dabei hilft, die Natur von Dingen aus neuen Blickwinkeln zu betrachten", sagt er. "Sie werden meist durchgeführt, weil ein tatsächliches Experiment nicht möglich ist, sei es aus physikalischen, technologischen, finanziellen oder ethischen Gründen. Manchmal illustrieren Gedankenexperimente sehr abstrakte Konzepte und tragen damit zum Prozess des Verstehens bei", erläutert Heinrichs. "Es gibt sie schon seit der Antike, in allen Bereichen: in der Philosophie, aber auch in der Ökonomie, Geschichte, Mathematik und in den Naturwissenschaften – besonders in der Physik."

Quantenphysik besser verstehen

Dass Gedankenexperimente dazu beitragen können, Vorgänge besser zu begreifen, zeigt sich etwa gut in der Quantenphysik. Denn Objekte verhalten sich dort nicht so, wie man es aus dem Alltag kennt. Sie nehmen keinen festen Zustand ein. „So befindet sich ein Atom, etwa was seinen Zerfall angeht, in einer sogenannten Superposition von Zuständen. Es ist zerfallen und nicht zerfallen zugleich – solange wir es nicht beobachten“, erklärt Prof. Kristel Michielsen vom Jülich Supercomputing Centre (JSC). "Darum geht es auch in dem berühmten Gedankenexperiment über Schrödingers Katze, die zugleich tot und lebendig sein kann."

Portrait von Prof. Kristel Michielsen. Prof. Kristel Michielsen: "Ich nutze Computer­simulationen, um ein Gedankenexperiment von Einstein zu überprüfen."
Copyright: Forschungszentrum Jülich / Ralf-Uwe Limbach

"Ich nutze Gedankenexperimente als Hypothese, die ich dann mit wissenschaftlichen Werkzeugen teste", erläutert Michielsen, die die Gruppe "Quantum Information Processing" am JSC leitet. Sie und ihre Kollegen nutzen Computersimulationen, um ein spezielles Phänomen der Quantentheorie besser zu verstehen: die Quantenverschränkung. Diese wurde 1935 in einem Gedankenexperiment beschrieben, dem Einstein-Podolsky-Rosen-Paradoxon (EPR-Paradoxon). Quantenverschränkung heißt, dass zwei Teilchen miteinander verknüpft sind, auch wenn sie weit voneinander entfernt sind. Aber wie funktioniert diese Verknüpfung über große Entfernung? Wie wissen die Teilchen über ihren jeweiligen Zustand Bescheid? Tauschen sie Informationen aus, "kommunizieren" sie miteinander? Diese Möglichkeit hat Albert Einstein bis zum Ende angezweifelt und Quantenverschränkung berühmterweise als "spukhafte Fernwirkung" bezeichnet. Denn sie würde bedeuten, dass Informationen schneller als mit Lichtgeschwindigkeit ausgetauscht werden.
Nicht alle seine Kollegen stimmten Einstein zu – bis heute gibt es eine Vielzahl unterschiedlicher Interpretationen, wie Quantenverschränkung funktioniert. Die Diskussionen darüber füllen seit 80 Jahren zahllose Bücher, Zeitschriftenartikel und inzwischen auch Internetseiten. Mithilfe ihrer Computersimulation haben Kristel Michielsen und ihr internationales Team das Gedankenexperiment überprüft und herausgefunden, dass Einstein recht gehabt haben könnte: Es muss andere Ursachen als die der "Kommunikation" dafür geben, dass sich die Zustände verschränkter Teilchen gegenseitig beeinflussen.

Computersimulationen zur Überprüfung von Gedankenexperimenten nutzen zu können, ist ein – relativ neuer – großer Vorteil für die Wissenschaft. "Bei einer Computersimulation können wir in einer Art geschütztem Rahmen mit den Teilchen spielen und Hypothesen überprüfen. Wir können uns alles ansehen, ohne unseren Untersuchungsgegenstand zu beeinflussen oder sogar zu zerstören", sagt Michielsen. Das sei im Labor oft anders. "Dort muss außerdem die nötige Apparatur – zum Beispiel Teilchenquellen und Detektoren – technisch korrekt umgesetzt werden. Das lässt sich nicht immer realisieren“, so Michielsen. Auch zum EPR-Paradoxon werden seit den 1970er Jahren Laborexperimente durchgeführt. "Immer schwierig dabei ist, zwei Teilchen eindeutig einem verknüpften Paar zuzuordnen. Zum Beispiel können fälschlicherweise Teilchen registriert werden, die gar nicht zum Experiment gehören, etwa aus kosmischer Strahlung. Im Labor sind zudem Prozeduren nötig, die Einstein in seinem Gedankenexperiment so nie vorgesehen hatte. Beides führt zu falschen Schlussfolgerungen, wie wir nachweisen konnten", so die Physikerin. "In einer Simulation hingegen können wir all diese Rahmenbedingungen exakt kontrollieren."

Ansätze für Forschung entwickeln

Gedankenexperimente können die Forschung aber auch indirekt beeinflussen. Zum Beispiel das Gedankenspiel Silicon Brain: In dem Gehirn eines Menschen wird nacheinander jede Nervenzelle durch einen elektrischen Schaltkreis ausgetauscht. Immer eine nach der anderen. Am Ende wäre das biologische Gehirn durch ein technisches ersetzt. Wäre der Mensch am Ende noch derselbe, mit demselben Bewusstsein?

Dies ist nur eines von einer ganzen Reihe von Gedankenexperimenten, die sich mit dem menschlichen Hirn beschäftigen. Oft geht es um komplexe und teilweise hochphilosophische Themen wie Bewusstsein, künstliche Intelligenz oder die Rolle von Sinneseindrücken. "Dahinter steht jedoch immer eine grundlegende Frage: Wie funktioniert das menschliche Gehirn?", sagt Prof. Markus Diesmann, Leiter des Bereichs "Computational and Systems Neuroscience" am INM-6. Er versucht, genau das herauszufinden.

"Gedankenexperimente zeigen, wohin Annahmen und Hypothesen letztlich führen, vor allem wenn man über das hinausdenkt, was man praktisch wirklich tun oder bestimmen kann", glaubt er. Denn natürlich lässt sich ein Gedankenexperiment wie das Silicon Brain nicht im Labor testen. Und auch für ihren Forschungsansatz nutzen Diesmann und sein Team von Physikern Computersimulationen. Die Jülicher Forscher arbeiten an einer Simulation des menschlichen Gehirns: "Wir beschreiben eine Nervenzelle mit wenigen Gleichungen und bauen daraus Netzwerke zusammen, die dem menschlichen Gehirn möglichst ähnlich sein sollen. Wir glauben, dass dabei die Zusammenarbeit der Nervenzellen in einem Netzwerk das eigentlich Interessante ist."

In jahrelanger Arbeit simulierten Diesmann und seine Kollegen einen Kubikmillimeter eines menschlichen Hirns: rund 100.000 Zellen, jede einzelne davon mit etwa 10.000 Kontakten, die zu anderen Zellen führen. "Als Naturwissenschaftler haben wir unsere eingeschränkte Toolbox, unsere wissenschaftlichen Methoden. Damit versuchen wir, das Gehirn zu verstehen." Die philosophische Frage nach dem Bewusstsein rückt dabei natürlich zunächst in den Hintergrund. Vielleicht werden Diesmanns Forschungen eines Tages aber trotzdem dazu beitragen, sie zu beantworten.

Ethische Fragen

"Bei Silicon Brain geht es um Identität und Selbstbewusstsein. Wie bei vielen Gedankenexperimenten gibt es aber auch hier eine ethische Komponente", erklärt Bert Heinrichs, der sich viel mit angewandter Ethik beschäftigt, speziell in den Neurowissenschaften und der Medizin. So holte das INM den Philosophen auch zu einem seiner jährlichen Retreats, wo er die Welt der Gedankenexperimente vorstellte. Prof. Johannes Ermert vom INM-5, Koordinator des Retreats: "Wir haben in den Jülicher Neurowissenschaften viele ethische Fragen – da ist es wichtig, bereits unsere Doktoranden an hilfreiche Werkzeuge wie Gedankenexperimente heranzuführen."

Portraitfoto Prof. Bert HeinrichsProf. Bert Heinrichs: "Gedankenexperimente helfen, Dinge aus neuen Blickwinkeln zu sehen."
Copyright: Forschungszentrum Jülich / Ralf-Uwe Limbach

Auf die Frage, welches Gedankenexperiment Heinrichs den Jülicher Kolleginnen und Kollegen zum Mitdenken mit auf den Weg geben würde, beschreibt er das "Chinesische Zimmer" des Philosophen John Searle: "Da sitzt ein Mensch, der kein Chinesisch beherrscht, in einem geschlossenen Raum. Vor ihm liegt ein in chinesischen Schriftzeichen verfasster Text, zu dem er durch einen Schlitz in der Wand Fragekarten – ebenfalls auf Chinesisch – zugeschoben bekommt und beantworten soll. Dazu hat er eine Anleitung, die in seiner Muttersprache verfasst ist. Obwohl er seine Antworten auf Chinesisch selber nicht versteht, schreibt er sie wieder und wieder auf Karten und gibt diese zurück durch den Schlitz nach draußen. Und die Menschen draußen? Die gehen davon aus, dass da jemand im Zimmer sitzt, der Chinesisch beherrscht."

Gedankenexperimente: Beispiele

Schrödingers Katze

Eine Katze wird in eine Kiste gesteckt, zusammen mit einer kleinen Menge einer radioaktiven Substanz, einem Detektor und einem Gefäß mit Gift. Dann wird die Kiste verschlossen. Zerfällt auch nur ein einziges Atom der Substanz, schlägt der Detektor an und setzt automatisch das Gift frei: Die Katze stirbt. Doch genauso ist es möglich, dass kein Atom zerfällt. In diesem Fall bleibt die Katze lebendig. Solange man nicht in die Kiste hineinsieht, ist der Zustand der Katze unbestimmt – sie ist lebendig und tot zugleich. Dieses weltberühmte Gedankenexperiment wurde 1935 von dem österreichischen Physiker Erwin Schrödinger vorgeschlagen. Natürlich kann eine Katze nicht gleichzeitig tot und lebendig sein. Ein (unbeobachtetes) Atom kann sich jedoch nach den Regeln der Quantenmechanik durchaus gleichzeitig in zwei Zuständen befinden. Durch den Aufbau des Versuchs – der Kopplung aller Versuchselemente von Atom bis Katze – werden diese Regeln gedanklich direkt auf unsere Alltagswelt übertragen.

Achilles und die Schildkröte

gezeichnete Umsetzung vom Gedankenexperiment 'Achilles und die Schildkröte': Achilles läuft auf einer geschlängelten Laufbahn einer Schildkröte nach. Achilles und die Schildkröte
Copyright: Forschungszentrum Jülich / Constanza Rojas-Molina

Achilles, schnellster Läufer der Antike, wird von einer Schildkröte zu einem Wettrennen herausgefordert. Seines Sieges sicher, gewährt er der Schildkröte einen Vorsprung. Das Rennen startet, beide laufen los. Doch als Achilles den Startpunkt der Schildkröte erreicht, hat diese bereits ein weiteres Wegstück zurückgelegt. Achilles muss also dieses Stück überwinden, bevor er die Schildkröte überholen kann. Doch ist ihm das gelungen, hat die Schildkröte wiederum einen – noch kleineren – Vorsprung gewonnen. Der Vorsprung der Schildkröte wird damit immer kleiner, bleibt aber immer ein Vorsprung. Achilles kann damit die Schildkröte niemals einholen und damit auch nie überholen. Dieses Gedankenexperiment aus der Antike stammt von dem altgriechischen Philosophen Zenon von Elea (5. Jh. v. Chr.). Es hat mehr als 2.000 Jahre lang vielen Denkern Kopfzerbrechen bereitet. Offensichtlich würde jeder Hobbyläufer die Schildkröte mit Leichtigkeit überholen – doch die logische Argumentation von Zenon ist nicht so leicht zu erschüttern. Wo steckt der Fehler?

Regine Panknin