Ich bin wieder da!

Es ergehen Zeichen und Wunder. Nachdem es lange unzugänglich war, kann ich dieses Blog nun wieder bearbeiten. Dies ist nur ein erstes Lebenszeichen; demnächst mehr!

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JE

Immer nur Durchgänge, aber kein Zugang.

                                                     aus Wissenschaftslehre - die fast vollendete Vernunftkritik 

Unsere Philosophie macht umgekehrt das Leben, das System der Gefühle, des Begehrens zum Höchsten und läßt der Erkenntnis überall nur das Zusehen. Es ist nach ihr ein solches System der Gefühle bestimmt: es ist freilich mit ihnen ein Bewußtsein verknüpft; und dies gibt eine unmittelbare, nicht eine durch / Folgerungen erschlossene, durch freies, auch zu unterlassendes Räsonnement erst erzeugte Erkenntnis. Nur diese unmittelbare Erkenntnis hat Realität, ist, als aus dem Leben kommend, etwas das Leben bewegendes: und wenn philosophisch die Realität einer Erkenntnis erwiesen werden soll, muß ein Gefühl – ich will mich hier noch dieses Worts bedienen und werde über den Gebrauch desselben sogleich noch bestimmtere Rechenschaft geben – aufgezeigt werden, an welches diese Erkenntnis sich unmittelbar anschlösse.* 

Das freie Räsonnement kann jene Erkenntnis nur durchleuchten, läutern, verknüpfen und trennen, das Mannigfaltige derselben, und dadurch den Gebrauch desselben sich erleichtern und sich fertiger darin machen: aber sie [sic] kann es nicht vermehren. Unsere Erkenntnis ist uns mit einem Male, für alle Ewigkeit gegeben, und wir können dieselbe nur weiter entwik-keln, den Stoff nur aus eben diesem Stoff vermehren. 

Nur das Unmittelbare ist wahr: und das Vermittelte ist wahr, inwiefern es sich auf jenes gründet, außerdem Schimäre und Hirngespinst.

*) Das Leben ist die Basis: und wenig bedeuten die Worte. 
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J. G. Fichte, Rückerinnerungen, Antworten, Fragen [S. 138f.]


Nota. - Unsere Erkenntnis sei uns mit einem Male, für alle Ewigkeit gegeben - das klingt anstößig. So, als sei sie 'an sich' da und könne mit Eifer nur noch entborgen werden. So hat er es in einem gewissen Sinne auch gemeint: Raum unserer Erkenntnis ist unsere Vorstel-lung, aus der - "über die" - kommen wir nicht hinaus. Sie ist aller Stoff, über den wir verfü-gen können, wir können ihn 'quantifizieren', vermannigfaltigen, aber nicht vermehren. Jen-seits ist nichts, was gewusst werden könnte.

Die Wissenschaftslehre fügt materialiter nichts hinzu, sondern lediglich - dass es so sei. Greift die Erkenntnis in mein Leben ein? Ja, wenn ich es will. Sie setzt mich gewissermaßen auf den ironischen Standpunkt; ich werde die Welt nicht aus lauter Zugängen bestehend finden, sondern wieder, wie nach Nietzsche die Kinder, aus lauter Durchgängen.
JE, 28. 8. 19





Nota - Das obige Foto gehört mir nicht, ich habe es im Internet gefunden. Wenn Sie der Eigentümer sind und ihre Verwendung an dieser Stelle nicht wünschen, bitte ich um Ihre Nachricht auf diesem Blog. JE

Die Emergenz von Raum und Zeit.

aus spektrum.de, 11. 5. 2022

  zu Jochen Ebmeiers Realien

Fortsetzung von Woraus besteht die Raumzeit? 

Raum und Zeit könnten aus fundamentalen Bausteinen hervorgehen, die von ganz anderer Art sind als die bekannten Teilchen und Wechselwirkungen. Auf einem Weg zu einer Quantentheorie der Schwerkraft gilt es herauszufinden, welche genau das sind.

von Adam Becker

... Aber für die beiden Konzepte findet sich partout kein gemeinsamer Rahmen. Bei der Relativitätstheorie ergeben sich Widersprüche und unphysikalische Unendlichkeiten, sofern man versucht, sie auf den Skalen der Quantenphysik anzuwenden. Irgendwie gelingt es der Natur trotzdem, beide zusammenzubringen, denn nichts anderes muss in den ersten Momenten des Urknalls geschehen sein, und es passiert weiterhin im Inneren der Schwarzen Löcher. Wir Menschen haben bloß noch nicht verstanden, wie der Trick funktioniert. Ein Teil des Problems betrifft die Art und Weise, wie die Theorien mit Raum und Zeit umgehen. Während beide in der Quantenphysik als unveränderlich gelten, lassen sie sich in der allgemeinen Relativitätstheorie nach Belieben verzerren.

Wie Raumzeit entstehen könnte | Raum und Zeit gelten gemeinhin als Bühne, auf der sich alles im Universum abspielt. Doch hinter den Kulissen wirken womöglich noch fundamentalere Elemente, die völlig andere Eigenschaften haben. Aus deren Zusammenspiel würde die Raumzeit dann emergent hervorgehen. Im Lauf einer jahrzehntelangen Suche haben sich in Fachkreisen zwei grundverschiedene Modelle als besonders vielversprechend hervorgetan: die Stringtheorie und die Schleifenquantengravitation. Dabei ist völlig offen, welche von ihnen der wahren Natur der emergenten Raumzeit nahekommt – oder ob womöglich beide danebenliegen

Eine Theorie der Quantengravitation müsste die unterschiedlichen Vorstellungen irgendwie miteinander in Einklang bringen. Eine Möglichkeit dazu wäre, das Problem an seiner Wurzel zu packen, der Raumzeit selbst, indem man diese aus etwas Fundamentalerem entstehen lässt. Viel versprechende Ansätze und erste Erfolge bei Teilaspekten beleben seit einigen Jahren die Hoffnung auf einen Durchbruch. Wenn die Raumzeit emergent ist, dann könnte die Klärung der Frage, wie und woraus sie entsteht, der fehlende Schlüssel zu einer Theorie von allem sein.

Mathematische Brücken zwischen grundverschiedenen Welten

Die meisten Fachleute hängen heute der so genannten Stringtheorie an. Hierbei sind Vibrationen der namensgebenden Strings die Ursache jedweder Materie und Energie. Sie rufen die unzähligen subatomaren Partikel hervor, die in Teilchenbeschleunigern auf der ganzen Welt beobachtet werden können. Sie sind sogar für die Schwerkraft verantwortlich, da sie ein hypothetisches Teilchen erzeugen, das sie überträgt, das Graviton.

 

Doch die Stringtheorie ist schwer zu verstehen und bewegt sich auf einem komplizierten mathematischen Terrain, dessen Erkundung bislang schon Jahrzehnte gekostet hat. Und noch immer ist ein Großteil der Strukturen unerforscht. Die aktuellen Expeditionen in die weißen Flecken dieser Landkarte navigieren hauptsächlich mit Instrumenten, die sich Dualitäten nennen. Das sind Entsprechungen zwischen einer Art von System und einem anderen.

Ein Beispiel dafür ist die eingangs erwähnte Beziehung von kleinen und großen Dimensionen. Versucht man, eine Raumrichtung kompakt zusammenzupressen, so erhält man etwas, das identisch ist mit einer Welt, in der die Dimension stattdessen riesig ist. Der Stringtheorie zufolge sind beide Situationen austauschbar. Dann kann man rechnerisch hin- und herwechseln und Werkzeuge aus der einen Umgebung nutzen, um die andere besser zu verstehen.

Viele Ansätze zur Quantengravitation

Zahlreiche Modelle sollen Quantenmechanik und Gravitation zusammenführen. Einige der am häufigsten diskutierten stellen wir hier vor.

  

Schleifenquantengravitation| Bei dem Modell erzeugen hypothetische gewundene Gebilde durch ihr Zusammenwirken die Raumzeit. Dadurch ist diese nicht mehr glatt, sondern durch Schleifen und deren Knoten in Größenordnungen der Plancklänge quantisiert. Die Knoten des Netzwerks ähneln mathematisch den Spins von Elementarteilchen, daher ist der Raum ein »Spin-Netzwerk«. Das auch Loop-Quantengravitation genannte Modell ist seit seinen Anfängen in den 1970er und 1980er Jahren bereits weit entwickelt und zählt zu den aussichtsreichsten Kandidaten für einen Durchbruch.

Stringtheorie | Die Stringtheorie verwendet als fundamentale Objekte eindimensionale »Strings« (englisch für Saiten). Da es keine punktförmigen Objekte mehr gibt, werden unendlich große Werte automatisch vermieden. Typisch ist das Auftreten zahlreicher Extradimensionen neben den uns bekannten vier. Sie müssten dann auf Skalen »kompaktifiziert« (mathematisch eingerollt) werden, die wir experimentell noch nicht beobachten können. Es sollten weitere Teilchen vorkommen, etwa im Rahmen der »Supersymmetrie« verschiedene extrem schwere Partner der bereits bekannten Elementarteilchen. Der Nachweis solcher Objekte würde die Stringtheorie unterstützen, war aber bislang erfolglos. 

Kausale dynamische Triangulation | Diese Theorie baut die Raumzeit aus vierdimensionalen Dreiecken als kleinsten Bausteinen auf (daher Triangulation). Dabei werden nur solche Dreiecke verknüpft, welche in die gleiche zeitliche Richtung weisen (daher kausal). Die einzelnen Elemente der Raumzeit organisieren sich dann von selbst. Das Modell erinnert an Strukturbildung, wie sie auf größeren Skalen in der Natur stattfindet, oder an eine Simulation in einem Computerprogramm, wo stark variable mikroskopische Elemente allein auf Grund gewisser Verknüpfungsvorschriften und Rahmenbedingungen am Ende in einen stabilen Zustand gelangen.

Asymptotisch sichere Gravitation | Wenn man, ähnlich wie bereits bei anderen Kräften, bei der Gravitation eine Quantenfeldtheorie verwendet, funktioniert das bei sehr hohen Energien nicht, denn es müssten unendlich viele Parameter bestimmt werden. Doch möglicherweise genügt es, selbst im Grenzfall unendlich hoher Energien nur eine endliche Anzahl von Werten zu ermitteln, die ihrerseits alle endlich bleiben. Die Theorie wäre dann »asymptotisch sicher«. Der Gedanke gewann mit Arbeiten der deutschen Physiker Christof Wetterich und Martin Reuter an Bedeutung, nachdem diese in den 1990er Jahren passende theoretische Werkzeuge entwickelten. Allerdings sind die prinzipiell erforderlichen unendlichdimensionalen Berechnungen nicht möglich, was Vereinfachungen nötig macht.

Für viele, die sich mit der Stringtheorie beschäftigen, ist eine spezielle Dualität ausgesprochen interessant. Sie legt nahe, dass der Raum selbst emergent ist. Die Idee entstand 1997, als Juan Maldacena vom Institute for Advanced Study in Princeton eine gut verstandene Quantentheorie namens konforme Feldtheorie (CFT) mit einer ungewöhnlichen Art von Raumzeit verknüpfte, dem Anti-de-Sitter-Raum, kurz AdS-Raum. Auf den ersten Blick scheinen die beiden Modelle grundverschieden zu sein. Die CFT enthält keinerlei Schwerkraft, während im AdS-Raum die Relativitätstheorie gilt. Dennoch können beide Welten auf eine gemeinsame Weise beschrieben werden. Die Entdeckung der »AdS/CFT-Korrespondenz« verband eine Quantentheorie mit einem hypothetischen Universum mit Gravitation.

Der AdS-Raum besitzt in dieser Dualität eine Dimension mehr als die Quantenwelt der CFT. Doch die Diskrepanz ist kein Problem, sondern vielmehr ein Glücksfall. Das passt nämlich zu einer anderen Art von Korrespondenz, die einige Jahre zuvor von den Physikern Gerard ’t Hooft von der Universität Utrecht und Leonard Susskind von der Stanford University hergeleitet wurde und holografisches Prinzip heißt. Ausgehend von Überlegungen über Schwarze Löcher vermuteten ’t Hooft und Susskind, die Eigenschaften eines Raumgebiets ließen sich vollständig durch seine Grenzen beschreiben. Das heißt, die zweidimensionale Oberfläche eines Schwarzen Lochs enthält alle Informationen, die man braucht, um Aussagen über sein dreidimensionales Inneres zu treffen. »Viele Leute hielten uns vermutlich für verrückt«, erinnert sich Susskind. »Wir mussten wirken wie zwei gute Physiker auf Irrwegen.«

Wie bei dem holografischen Prinzip codiert die vierdimensionale CFT in der AdS/CFT-Korrespondenz jedwede Information über den mit ihr verknüpften fünfdimensionalen AdS-Raum. Dieser ganze Bereich geht aus den Wechselwirkungen zwischen den Bestandteilen des Quantensystems hervor. Maldacena vergleicht den Prozess mit dem Lesen eines Romans. »Wenn man eine Geschichte erzählt, konstruiert man handelnde Figuren«, sagt er. »Doch eigentlich gibt es nur Textzeilen. Aus diesen wird abgeleitet, was die Charaktere tun.« Laut Maldacena wären die Figuren im Buch so etwas wie die AdS-Theorie, während die CFT dem Text entspricht.

Die Welt steht und fällt mit quantenmechanischen Verbindungen

Aber woher kommt der Raum im AdS-Raum, und wenn er emergent ist, woraus entsteht er dann? Die Antwort verbirgt sich in einer seltsamen Art der quantenmechanischen Verknüpfung: der so genannten Verschränkung, durch die Eigenschaften von Objekten miteinander korreliert werden. Das geschieht auf eine Weise, die sich weder dem Zufall zurechnen noch mit klassischer Physik erklären lässt, was Einstein dazu bewogen hat, sie als »spukhafte Fernwirkung« zu bezeichnen.

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So unheimlich sie erscheinen mag, ist die Verschränkung doch ein zentrales Merkmal der Quantenphysik. Wenn zwei quantenmechanische Objekte miteinander interagieren, bleibt ihre Verschränkung bestehen, solange sie gut genug vom Rest der Welt abgeschirmt bleiben – egal, wie weit sie sich unterdessen voneinander entfernen. Mittlerweile haben Physiker bei Experimenten die Verschränkung zwischen Teilchen aufrechterhalten, die einen Abstand von mehr als 1000 Kilometern zueinander hatten, und sogar zwischen solchen, bei denen sich eines auf dem Erdboden und das andere in einem Satelliten in einer Erdumlaufbahn befunden hat. Zumindest prinzipiell könnten zwei Teilchen quer durch die Galaxie oder sogar das Universum verbunden bleiben. Distanzen scheinen für den Effekt keine besondere Rolle zu spielen.

Falls der Raum jedoch emergent ist, wäre die Eigenart der Verschränkung, über große Entfernungen hinweg konserviert zu bleiben, vielleicht gar nicht so mysteriös – schließlich wären Abstände dann lediglich ein Konstrukt. 2006 legten die Theoretiker Shinsei Ryū von der Princeton University und Tadashi Takayanagi von der Universität Kyoto im Rahmen einer gemeinsamen Veröffentlichung nahe, dass es überhaupt erst die Verschränkung ist, die Entfernungen im AdS-Raum hervorruft. Eng beieinanderliegende Bereiche auf der AdS-Seite der Dualität entsprechen dann stark korrelierten Komponenten der CFT.

Möglicherweise gilt so eine Beziehung nicht nur für das AdS-Modelluniversum, sondern auch für unseren Kosmos. »Was hält den Raum zusammen und unterbindet seinen Zerfall in einzelne Unterregionen?«, fragt Susskind und vermutet: »Verschränkungen zwischen seinen Teilen.« Quantenmechanische Verknüpfungen könnten also erst für die geordnete Geometrie um uns herum sorgen. »Zerstörte man sie irgendwie, fiele der Raum auseinander«, fährt Susskind fort. »Wir würden quasi das Gegenteil von emergentem Verhalten beobachten.«

Emergente Gravitation| Das Verhalten von Flüssigkeiten, die aus unzähligen mikroskopischen Teilchen mit vielen Freiheitsgraden bestehen, lässt sich mit Hilfe der Strömungsmechanik beschreiben. Deren Gesetze haben mit den molekularen Komponenten des Systems nichts mehr zu tun. Der analoge Ansatz bei der emergenten Gravitation ist, die Raumzeit und ihre Krümmungen aus dem Zusammenspiel elementarer Bausteine und ihrer Kräfte herzuleiten. Die Idee geht auf den sowjetischen Physiker Andrei Sacharow zurück, der 1967 davon ausging, andere Felder würden die Schwerkraft durch Vakuumanregungen erzeugen – ähnlich wie beispielsweise ein magnetisches Feld elektrische Ströme induziert. Daher wird die Theorie auch induzierte Gravitation genannt.

Kausale Mengen | Bei kausalen Mengen ist die Raumzeit nicht kontinuierlich, sondern besteht aus vielen diskreten Punkten. Auf genügend kleinen Skalen verschwindet sie gewissermaßen. Physikalische Vorgänge lassen sich aus Ordnungsprinzipien innerhalb der Punktmengen herleiten. Elemente werden kausal miteinander verknüpft, so dass sich etwa für die möglichen Bewegungen von Teilchen eine Art Stammbaum ergibt. Das Volumen einer Raumregion wird durch einfaches Abzählen bestimmbar. Das Modell geht von relativ wenigen Voraussetzungen aus und führt dennoch zu überprüfbaren Ergebnissen. Beispielsweise sagten Anhänger der Theorie bereits in den 1990er Jahren eine kosmologische Konstante in der richtigen Größenordnung vorher – lange bevor die Expansion im realen Universum entdeckt wurde. Viele Detailfragen zur physikalischen Dynamik sind aber noch offen.

Sollte dem so sein, legt das eine einfachere Lösung des Rätsels der Quantengravitation nahe: Die Raumkrümmungen müssten dann nicht mehr auf die Quantenebene heruntergebrochen werden, weil der Raum selbst aus einem grundlegenden Quantenphänomen hervorgeht. Susskind vermutet, das ist der Grund, warum es so schwierig war, eine Theorie der Quantengravitation zu finden. »Das hat nicht gut funktioniert, weil man von zwei verschiedenen Dingen ausgegangen ist, der allgemeinen Relativitätstheorie und der Quantenmechanik, und versucht hat, beide zusammenzubringen«, führt er aus. »Dabei sind beide viel zu eng miteinander verbunden, um sie schadlos erst voneinander zu trennen und dann wieder zusammenzufügen. Es gibt keine Gravitation ohne Quantenmechanik.«

Doch der Raum ist nur die halbe Miete. Da er und die Zeit in der Relativitätstheorie eng miteinander zur Raumzeit verbunden sind, muss jede Erklärung beide berücksichtigen. »Zeit muss auch irgendwie emergent sein«, meint Mark Van Raamsdonk von der University of British Columbia in Vancouver. Er gehört zu den Vordenkern einer Bewegung, die Raumzeit mit Hilfe von Verschränkungen konstruieren will. »Aber das ist noch nicht gut verstanden und ein aktives Forschungsgebiet.«

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Zu den Objekten, die auf die Art näher untersucht werden, gehören auch die aus der Sciencefiction bekannten Wurmlöcher, hypothetische Verbindungen zwischen weit entfernten Regionen der Raumzeit. Früher hielten es viele Fachleute für ausgeschlossen, Objekte durch solche Abkürzungen hindurchzuschicken, und sei es nur in Gedankenspielen. Doch in den letzten Jahren wurden auf Basis der AdS/CFT-Korrespondenz und ähnlichen Modellen denkbare Wege aufgezeigt, Wurmlöcher zu konstruieren. »Wir wissen nicht, ob wir das in unserem Universum tun könnten«, räumt Van Raamsdonk mit Blick auf den Modellcharakter des AdS-Raums ein. »Aber immerhin erscheinen bestimmte Arten von tatsächlich durchquerbaren Wurmlöchern nun theoretisch möglich.« Für die Raumfahrt wären die Wurmlöcher trotzdem nicht nützlich. Susskind ist Autor mehrerer einflussreicher Untersuchungen auf dem Gebiet. Wie er betont, könne man sie »nicht schneller durchqueren, als das Licht für den langen Weg drum herum braucht«.

Die Frage, wie wir etwas jenseits von Raum und Zeit begreifen sollen, grenzt an Philosophie

Sollte die Stringtheorie richtig liegen, dann bestehen der Raum und eventuell auch die Zeit aus Quantenverschränkungen. Doch was genau soll das wiederum bedeuten? Wenn der Raum aus der Verschränkung zwischen Objekten gemacht ist, müssen diese dann nicht selbst irgendwo existieren? Und wie können sie miteinander verschränkt werden, sofern sie nicht prinzipiell Veränderung und somit Zeit erfahren? Wie sollen wir ihr Vorhandensein überhaupt begreifen, wenn die betrachteten Dinge weder Raum noch Zeit bevölkern?

Solche Fragen grenzen an Philosophie, und in der Tat beschäftigt sich dieses Fachgebiet intensiv damit. So betont Eleanor Knox, eine Philosophin der Physik am King’s College London, eine emergente Raumzeit sei zwar unintuitiv. Aber das wäre kein Problem, denn »unsere Intuition liegt manchmal schrecklich daneben«. Sie habe sich »in der afrikanischen Savanne entwickelt, wo unsere Vorfahren mit makroskopischen Objekten, Flüssigkeiten und Tieren interagierten«. Das ließe sich nicht auf die Welt der Quantenmechanik übertragen. Wenn es um die Quantengravitation gehe, seien Fragen danach, wo sich etwas befinde, schlicht nicht zielführend.

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Sicherlich nehmen Objekte im Alltag bestimmte Orte ein. Wie Knox und andere jedoch betonen, müssten Raum und Zeit deswegen noch lange nicht fundamental sein, sondern nur auf zuverlässige Weise aus dem entstehen, was eigentlich die Basis von allem ist. Der Wissenschaftsphilosoph Christian Wüthrich von der Universität Genf bemüht als Analogie eine Flüssigkeit. »Letztlich geht sie zurück auf Elementarteilchen wie Elektronen, Protonen und Neutronen oder, noch fundamentaler, Quarks und Leptonen. Haben Quarks und Leptonen flüssige Eigenschaften? Das ergibt doch keinen Sinn, oder? Aber wenn die Teilchen in ausreichender Zahl zusammenkommen und kollektiv auf eine bestimmte Weise auftreten, dann verhalten sie sich wie eine Flüssigkeit.« Analog mögen Raum und Zeit in der Stringtheorie und anderen Theorien der Quantengravitation zu Stande kommen. Insbesondere könnte sich die Raumzeit auf emergente Art aus den Dingen bilden, von denen wir normalerweise behaupten würden, sie bevölkerten das Universum, nämlich Materie und Energie selbst. »Es ist ja nicht so, dass wir ausgehend von Raum und Zeit diesen anschließend etwas Materie hinzufügen müssten«, erläutert Wüthrich. »Vielmehr kann etwas Materielles eine notwendige Bedingung für die Existenz von Raum und Zeit sein. Dann ist die Verbindung immer noch sehr eng, aber genau andersherum als ursprünglich gedacht.«

Es gibt allerdings auch andere Interpretationen der Erkenntnisse aus der AdS/CFT-Korrespondenz. Diese gilt zwar oft als Beispiel dafür, wie die Raumzeit aus einem Quantensystem hervorgehen könnte. Aber die Philosophin Alyssa Ney von der University of California in Davis hält den umgekehrten Fall für ebenso gerechtfertigt. »AdS/CFT dient als Übersetzungsanleitung zwischen Wissen über die Raumzeit und über die Quantentheorie«, resümiert Ney. Dazu passe die Behauptung, Erstere sei emergent und Letztere fundamental – in der gegensätzlichen Richtung sei das jedoch genauso möglich. Die Korrespondenz könnte also gleichermaßen darauf hinweisen, dass die Quantentheorie emergent und die Raumzeit fundamental ist, oder sogar darauf, dass das für keine der beiden gilt und es eine noch grundlegendere Theorie gibt. Emergenz sei eine starke Behauptung, und Ney gibt sich offen dafür. »Aber wenn ich mir nur AdS/CFT anschaue, reicht mir das noch nicht als überzeugendes Argument.«

Passt das Modell zur realen Welt?

Die wohl größere Schwierigkeit für solche stringtheoretischen Interpretationen steckt im Namen der AdS/CFT-Korrespondenz selbst. »Wir leben nicht in einem Anti-de-Sitter-Raum«, betont Susskind, »sondern in etwas, was viel eher einem De-Sitter-Raum entspricht.« Der De-Sitter-Raum beschreibt ein beschleunigt expandierendes Universum wie unseres. »Wir haben keinerlei Vorstellung davon, wie sich das holografische Prinzip darauf übertragen ließe«, räumt Susskind ein. Deswegen ist es eine der drängendsten Aufgaben für die Stringtheorie, herauszufinden, ob eine ähnliche Korrespondenz für einen Raum gilt, der dem tatsächlichen Weltall näher kommt. »Wir werden einen besseren Zugang zu einer kosmologischen Version davon finden«, gibt sich Van Raamsdonk optimistisch.

Unterdessen hat sich noch bei keinem Experiment an Teilchenbeschleunigern irgendein Beweis für so genannte supersymmetrische Teilchen gefunden, auf die viele Versionen der Stringtheorie setzen. Laut der Supersymmetrie haben alle bekannten Teilchen ihren eigenen »Superpartner«. Dadurch würde sich die Anzahl der fundamentalen Teilchen verdoppeln. Am Large Hadron Collider des CERN bei Genf, auf den sich die Hoffnungen bei der Suche nach Superpartnern lange konzentrierten, gab es keine Anzeichen dafür. »Supersymmetrische Theorien bilden den Rahmen für alle präzise ausgearbeiteten Versionen der emergenten Raumzeit«, erklärt Susskind. »Gibt man die Supersymmetrie auf, verpufft jede mathematische Nachvollziehbarkeit der Gleichungen.

Holografisch | Vielleicht erzeugen Verknüpfungen den Raum wie eine 2-D-Struktur ein 3-D-Bild.

Die Stringtheorie ist allerdings nicht der einzige Ansatz für eine emergente Raumzeit. Laut Abhay Ashtekar von der Pennsylvania State University in University Park hat sie »ihr Versprechen, Gravitation und Quantenmechanik zu vereinen, nicht eingelöst. Die Stärke der Stringtheorie liegt nun in ihrem extrem reichhaltigen Instrumentarium, das im gesamten Spektrum der Physik breite Anwendung findet.« Ashtekar ist einer der Begründer der populärsten Alternative zur Stringtheorie, der so genannten Schleifenquantengravitation. Dort sind Raum und Zeit nicht glatt und kontinuierlich wie in der allgemeinen Relativitätstheorie, sondern bestehen aus diskreten Komponenten. Ashtekar nennt sie »Stückchen oder Atome der Raumzeit«.

Diese sind zu einem Netzwerk verbunden und spannen mittels ein- und zweidimensionaler Fäden und Bänder einen so genannten Spin-Schaum auf. Der Schaum ist zwar auf zwei Dimensionen beschränkt, dennoch ergibt sich daraus unsere vierdimensionale Welt. Ashtekar veranschaulicht die Situation mit einem Kleidungsstück: »Wenn Sie Ihr Hemd betrachten, wirkt es wie eine zweidimensionale Oberfläche. Unter einem Vergrößerungsglas sieht man, dass es aus eindimensionalen Fäden besteht. Aber weil sie so dicht gepackt sind, ist das Hemd für alle praktischen Zwecke zweidimensional. Entsprechend erscheint uns der Raum als ein dreidimensionales Kontinuum, das in Wirklichkeit von den Atomen der Raumzeit gewoben wird.«

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Obwohl sowohl in der Stringtheorie als auch in der Schleifenquantengravitation die Raumzeit emergent sein soll, unterscheidet sich die Art der Emergenz bei beiden Theorien. Laut der Stringtheorie entsteht die Raumzeit oder zumindest der Raum aus dem Verhalten eines davon anscheinend völlig losgelösten Systems aus Verschränkungen, ein wenig so, wie Straßenverkehr mit gelegentlichen Staus aus den kollektiven Entscheidungen einzelner Autofahrer hervorgeht. Die Autos sind nicht aus Verkehr gemacht, sie rufen ihn selbst erst hervor. In der Schleifenquantengravitation hingegen ist die Raumzeit eher mit einer Dünenlandschaft vergleichbar, die von der gemeinsamen Bewegung der Sandkörner im Wind geformt wird. Die Dünen sind aus dem gleichen Stoff, wenngleich sie weder so aussehen noch sich so verhalten wie die winzigen Körner.

Trotz solcher Unterschiede entsteht die Raumzeit sowohl bei der Schleifenquantengravitation als auch bei der Stringtheorie aus grundlegenderen Komponenten. Andere Modelle einer Quantengravitation weisen ebenfalls in diese Richtung, etwa die »Kausalen Mengen« (siehe »Viele Ansätze zur Quantengravitation«). »Es ist wirklich auffällig, dass die meisten plausiblen Theorien heute in gewisser Weise die Aussage enthalten, die Raumzeit aus der allgemeinen Relativitätstheorie sei auf fundamentaler Ebene gar nicht mehr vorhanden«, merkt Knox an. »Zumindest in einer Sache scheinen die verschiedenen Herangehensweisen also übereinzustimmen. Bereits dieser Gedanke ist aufregend.«

Mangelnde experimentelle Daten erschweren die Suche nach einer Quantengravitation

Die moderne Physik ist zum Opfer ihres eigenen Erfolgs geworden. Sowohl die Quantenphysik als auch die allgemeine Relativitätstheorie machen in ihrem jeweiligen Geltungsbereich phänomenal präzise zutreffende Vorhersagen. Deswegen ist die Quantengravitation als Beschreibung nur in Extremsituationen vonnöten, bei denen enorme Massen auf unvorstellbar winzige Raumbereiche zusammengepresst werden. In der Natur kommen solche Bedingungen bloß an wenigen Orten vor, etwa im Zentrum eines Schwarzen Lochs. Insbesondere begegnet man ihnen nicht in Physiklabors, nicht einmal in den größten und leistungsfähigsten. Dieser Mangel an direkten experimentellen Daten ist ein wesentlicher Grund dafür, dass die Suche nach einer Theorie der Quantengravitation schon so lange andauert.

Angesichts dessen setzen viele ihre Hoffnungen auf einen Blick in den Himmel. Während seiner allerersten Augenblicke war das gesamte Universum unvorstellbar klein und dicht. Die Situation lässt sich nur mit Hilfe der Quantengravitation beschreiben, und Nachwirkungen davon könnten noch immer zu sehen sein. »Unsere besten Chancen liegen in der Kosmologie«, hofft Maldacena. »Vielleicht gibt es dort etwas, für das wir heute noch keine Vorhersagen treffen können, das sich aber auf Grundlage eines besseren theoretischen Verständnisses erschließen lässt.«

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Zumindest indirekt könnten sich Laborexperimente trotzdem als nützlich erweisen. Beispielsweise will eine Arbeitsgruppe um Monika Schleier-Smith von der Stanford University Aspekte der AdS/CFT-Korrespondenz mittels Atomen in hochgradig verschränkten Quantensystemen untersuchen (siehe »Spektrum« Februar 2022, S. 64). Vielleicht erinnern Teile des Versuchsaufbaus in ihrem Verhalten dann an die Raumzeit. Solche Experimente könnten »einige, aber womöglich nicht alle Merkmale der Gravitation aufweisen«, meint Maldacena. »Das hängt auch davon ab, was genau man eigentlich als Gravitation bezeichnet.«

Werden wir jemals die wahre Natur von Raum und Zeit in Erfahrung bringen? Geeignete kosmologische Beobachtungsdaten werden vielleicht noch lange auf sich warten lassen. Laborversuche könnten weiterhin nichts ergeben. Und wie Philosophen nur zu gut wissen, sind die Fragen nach dem Charakter von Raum und Zeit schon sehr alt. Vor 2500 Jahren hat Parmenides das Seiende als unteilbar und unveränderbar begriffen. Ihm zufolge ist der Wandel eine Illusion. Sein Schüler Zenon schuf berühmte Paradoxien, um den Standpunkt seines Lehrers zu beweisen und die Widersprüchlichkeiten aufzuzeigen, die Bewegungen innewohnen sollten. Solche Arbeiten warfen die Frage auf, ob Zeit und Raum nur Einbildung sind, und haben diese beunruhigende Perspektive der westlichen Philosophie aufgeprägt. »Die Tatsache, dass die alten Griechen Fragen nach Raum, Zeit und Veränderung stellten und dass wir das auch heute noch tun, heißt doch, dass es die richtigen waren«, sagt Christian Wüthrich. »Das Nachdenken darüber hat uns viel über die Physik gelehrt.«

 

Nota. - Glauben Sie mir: Das Formatieren von Beiträgen aus spektrum.de so, dass sie in mein Blog passen, ist so mühselig, dass mir zu einen sachlichen Kommentar für heute die Puste fehlt. Einstweilen bescheide ich mich mit einem Dank an den Verfasser für den Satz, dass die Frage, wie wir etwas jenseits von Raum und Zeit begreifen sollen, an Philosophie grenzt. Ein weniger gewissenhafter Autor hätte forsch geschrieben, dass sie Philosophie sei. Aber das ist sie nicht. 

Eine Frage, die darauf geht, ob oder wie etwas ist, kann auch vorläufig nur aus der Erfah-rung beantwortet werden; und die ist Sache der reellen Wissenschaften. Die Philosophie kann beurteilen, ob die Wissenschaft ihre Wege vernunftgemäß wählt und ob dieser oder jener Begriff rechtmäßig verwendet wurde. Aus eignem Fundus kann sie äußerstenfalls spekulative Modelle erdenken, die aber immer von empirischer Forschung erprobt werden müssen. Ihr Feld sind nicht die wirklichen Erfahrungen selbst, sondern ausschließlich das Denken der Erfahrenden. Mit dem ausdrücklichen Zusatz, dass das Denken nicht erst mit den Begriffen und logischen Regeln beginnt, sondern bei den Vorstellungen, die jenen zu Grunde liegen.
JE

Das Anfangskapitel der Wissenschaftslehre.

                             aus Wissenschaftslehre - die fast vollendete Vernunftkritik

Der Inhalt der gesamten Wissenschaftslehre lässt sich kurz in folgenden Worten vortragen: 

Dass ich mir überhaupt etwas' bewusst werden kann, davon liegt der Grund in mir, nicht in den Dingen. Ich bin mir Etwas' bewusst; das einzige Unmittelbare, dessen ich mir bewusst bin, bin ich selbst; alles andre macht die Bedingungen meines Selbstbewusstseins aus. Ver-mittelst des Selbstbewusstseins mache ich mir die Welt bewusst. - 

Ich bin mir Objekt des Bewusstseins nur im Handeln. Wie ist die Erfahrung möglich? heißt: Wie kann ich mir meines Handelns bewusst werden? Auf die Beantwortung dieser Frage geht alles aus, und wenn sie beantwortet ist, so ist unser System geschlossen.   

Bis jetzt haben wir dies gefunden: Ich muss, wenn ich mich als handelnd setzen soll, mir irgend eines Zweckbe- griffs bewusst werden. Mit der Beantwortung der Frage: Wie ist ein Zweckbegriff möglich? beschäftigen wir uns noch. Bisher haben wir gesehen, wie ein Be-griff überhaupt möglich sei. Eigentlich ist von allem, was wir bisher aufgestellt haben, nichts ganz möglich, bis wir zu Ende sind, denn wir haben noch immer Bedingungen der Möglich-keit aufzustellen. Die Möglichkeit des Einzelnen lässt sich nur aufzeigen, wenn die Möglich-keit des Ganzen dargetan ist. 

Die Möglichkeit des Begriffs wurde nur gezeigt unter ge-/wissen Voraussetzungen, die wir stillschweigend machen mussten und konnten.

Wir sind so verfahren: Ich bin ursprünglich praktisch beschränkt; daraus entsteht ein Ge-fühl; ich bin aber nicht bloß praktisch, sondern auch ideal. Die ideale Tätigkeit ist nicht be-schränkt, folglich bleibt Anschauung übrig. Gefühl und Anschauung sind miteinander ver-knüpft. Im Gefühle muss eine Veränderung stattfinden, dies ist Bedingung des Bewusst-seins. Ich bin in der Beschränktheit beschränkt, werde also auch in der Anschauung Y be-schränkt. Aus jeder Beschränkung entsteht ein Gefühl, mithin müsste auch hier ein Gefühl entstehen, das Gefühl des Denkzwangs, und mit diesem [die] Anschauung meiner selbst. Eine Anschauung, in der das Anschau- ende selbst gesetzt wird, die auf das Anschauende bezogen wird, heißt ein Begriff vom Dinge, hier von Y.

Es war schon im vorigen Paragraphen die Frage nach dem Vereinigungsgrund des Begriffs mit dem Ich; oder: Wie komme ich dazu zu sagen: Alles ist mein Begriff? 

Das Ich war bisher ein Fühlendes, es müsste auch das Begreifende sein; der Begriff müsste mit dem Fühlen notwendig vereinigt sein, so dass eins ohne das andere kein Ganzes aus-machte. Im Selbstgefühl ist Gefühl und Begriff vereinigt. Ich bin gezwungen, die Dinge so anzusehen, wie ich sie ansehe; wie ich mich selbst fühle, so fühle ich diesen Zwang mit.

So ist bisher das Ich als das Begreifende selbst begriffen worden. Wir wollen jetzt weiter gehen: Ich kann mich als Ich nur setzen, in wiefern ich mich tätig setze. - Da das Gefühl nur Beschränkung sein soll, so kann ich mich als Ich nicht fühlen, wenn nicht noch eine andere Tätigkeit hinzukommt. Mithin lässt sich aus dem Gefühl allein das Bewusstsein nicht erklären, also müsste ich mich in dem Begriffe des Y setzen als tätig. Das Ideale gibt sich dem Gefühle hin; wie / dies zugehe, ist besonders Gegenstand unserer gegenwärtigen Untersuchung. 

Ich setze mich als Ich heißt: ich setze mich als tätig. Das Materiale der Tätigkeit (was dabei angeschaut wird) ist ein Übergehen von der Bestimmbarkeit zur Bestimmtheit. (Das For-male ist die Selbstaffektion, das gehört nicht hie[r]her.) Das Ich soll hier im Begriffe tätig gesetzt werden, als von einer gewissen Unbestimmtheit zu einer gewissen Bestimmheit übergehend.
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J. G. Fichte, Wissenschaftslehre nova methodo, Hamburg 1982, S. 101f.


Nota. - Nur weil der Mensch schlechterdings in der Welt, und weil er dort handelnd  ist, fühlt er, denn in der Welt wird sein Handeln schlechthin beschränkt durch den Widerstand der Dinge, auf die es trifft. Er fühlt in der Beschränkung seines Handelns den Gegenstand  und sich selbst. 

Dieses Fühlen ist der Stoff allen Bewusstseins.

Aber es ist nicht das Bewusstsein. Dafür muss das Vorstellen des Gefühls hinzukommen: das Bestimmen dessen, was es (mir) bedeutet. Das setzt voraus, dass im Treffen auf den Widerstand mein Handeln noch nicht erschöpft war; es muss also ein Quantum Tätigkeit angenommen werden, das übriggeblieben ist und nun auf das Gefühl selber als seinen Gegenstand gewendet wird. 

Die als der Tätigkeit zugrundeliegend angenommene 'prädikative Qualität' muss also als Einbildungskraft aufgefasst werden, sie selber unbegrenzt und daher quantifizierbar ist. Sie fasst die Bestimmtheit  des aus der Tätigkeit resultierenden Gefühls in ein - ruhendes - Bild.

Die als Ruhe angeschaute Tätigkeit ist der Begriff.
JE, 12. 10. 18




Nota - Das obige Foto gehört mir nicht, ich habe es im Internet gefunden. Wenn Sie der Eigentümer sind und ihre Verwendung an dieser Stelle nicht wünschen, bitte ich um Ihre Nachricht auf diesem Blog.  JE

Die sogenannten Spiegelneurone.

 
aus spektrum.de, 4. 3. 2022                                                                              zu Jochen Ebmeiers Realien; zu Philosophierungen

Mythos Spiegelneurone
Die Entdeckung der Spiegelneurone jährt sich 2022 zum 30. Mal. Zeit für einen Blick in den Rückspiegel: Was wissen Forscherinnen und Forscher heute über die berühmten Nervenzellen? Konnten sie die hohen Erwartungen erfüllen, die die beteiligten Wissenschaftler damals an sie stellten?

von Anton Benz

Sommer 1992 – die Sonne brütet über Parma. Ein Affe wartet in einem Labor des Istituto di Fisiologia Umana darauf, dass die Wissenschaftler aus ihrer Mittagspause zurückkehren. Der verkabelte Makak ist an ein Gerät angeschlossen, welches die Aktivität von Neuronen im motorischen Kortex aufzeichnet und jedes Mal dann ein Surren von sich gibt, wenn er nach Nahrung greift. Langsam trudelt die Gruppe um Giacomo Rizzolatti aus der Kantine ein. Ein Doktorand schleckt noch gemütlich an seinem Eis, bevor es zurück an die Arbeit geht. Als er die Kugel im Sichtfeld des Affen zum Mund führt, geschieht etwas, das die Hirnforschung für immer verändern soll: Der Apparat schlägt an, obwohl sich das Versuchstier nicht regt. Jene Nervenzellen, die eigentlich feuern, wenn der Makak selbst Essen zum Maul führt, reagieren auch bei der bloßen Beobachtung derselben Bewegung! Und die Entdeckung der Spiegelneurone nimmt ihren Lauf.

Eine tolle Geschichte, auf die man im Internet häufig stößt. Leider ist sie nicht wahr. Heute, 30 Jahre, später lacht der inzwischen emeritierte Rizzolatti darüber: »Das ist nichts weiter als ein Mythos, der einmal in der ›New York Times‹ stand und sich von dort weiter verbreitete. Die eigentliche Geschichte ist viel unspektakulärer: Es gab eine Vorrichtung, aus der wir das Essen für die Affen entnahmen. Zu unser aller Überraschung feuerten ihre Nervenzellen auch dann, wenn wir nach einer Belohnung für sie griffen.«

Die »alternative Erzählung« soll aber nicht von der eigentlichen Sensation ablenken. Die Spiegelneurone entwickelten sich zu den Shootingstars der Hirnforschung. Kaum ein Thema erreichte so viel Aufmerksamkeit in der allgemeinen Öffentlichkeit. Wie häufig berichtet schon die »New York Times« über neurowissenschaftliche Grundlagenforschung? Eine regelrechte PR-Kampagne trieb das Interesse der Medien nur noch weiter an. So ließ der Neurologe Vilayanur Ramachandran von der University of California, San Diego, verlauten: »Ich prognostiziere, dass die Spiegelneurone für die Psychologie das sein werden, was die DNA für die Biologie war.«

Auf einen Blick
Mehr Imitation als Empathie

1. In den frühen 1990er Jahren landeten Forscher um Giacomo Rizzolatti einen spektakulären Zufallstreffer: Sie entdeckten die Spiegelneurone. Um diese entwickelte sich ein Hype, auch über die Grenzen der Hirnforschung hinaus.

2. Die speziellen Nervenzellen sollen eine ganze Reihe bedeutsamer Funktionen haben. Sie führten unter anderem zur Entstehung von Sprache und Empathie, hieß es aus dem Entdeckerkreis.

3. Heute sind viele Experten vorsichtiger. Demnach spielen Spiegelneurone vor allem beim Erkennen und Nachahmen von Bewegungen eine Rolle. Für komplexere soziale Prozesse seien sie zumindest nicht allein verantwortlich.

 

Doch inzwischen hat das wissenschaftliche Interesse an den berühmten Nervenzellen nachgelassen (siehe »Das Ende eines Hypes?«). Es stellt sich die Frage: Was wissen wir – 30 Jahre nach ihrer Entdeckung – eigentlich über die Spiegelneurone? Sind sie die Alleskönner, für die Medien und viele Forschende sie hielten? Oder ist das Strahlen der ehemals schillernden Stars inzwischen verblasst?

Eigentlich wollten Rizzolatti und sein Team 1992 die so genannten kanonischen Neurone genauer untersuchen. Das sind Nervenzellen, die sowohl beim Greifen nach einem Gegenstand feuern als auch beim bloßen Anblick desselben Objekts. Aber wie wir heute wissen, kam es anders: »In den ersten Jahren nach unserer Entdeckung wiederholten wir die Experimente immer wieder, weil wir Angst hatten, dass es sich dabei nur um einen Messfehler handelte«, so der Neurophysiologe. Doch die folgenden Versuche bestätigten den faszinierenden Zufallsfund: Bestimmte Zellen im motorischen und prämotorischen Kortex entladen sich nicht nur beim Ausführen einer Handlung, sondern ebenso, wenn man dieselbe Bewegung bei anderen nur beobachtet.

Dieser Artikel ist enthalten in Gehirn&Geist 4/2022

2010 fand ein Team um Roy Mukamel, der heute an der Universität Tel Aviv forscht, die begehrten Zellen auch im menschlichen Gehirn – genauer gesagt in Teilen des Motorkortex und im Schläfenlappen. Als Probanden dienten 21 Epilepsiepatienten, denen im Vorfeld eines neurochirurgischen Eingriffs Elektroden ins Hirn implantiert worden waren. So konnten die Wissenschaftler ihre Nervenzellaktivität direkt messen, während die Patienten Handbewegungen entweder selbst ausführten oder nur beobachteten. Dass an solchen »Spiegelungen« auch Teile des Kleinhirns sowie Emotionen verarbeitende Regionen beteiligt sind, stellten australische Forscher um Pascal Mohlenberghs 2012 in einer Übersichtsarbeit fest.

Allerdings basierte ihre Analyse ausschließlich auf MRT-Daten, die nur ein unvollständiges Bild zeichnen. Denn sie erfassen nicht die Aktivität einzelner Neurone, sondern ganzer Zellverbände. So lässt sich mit der Methode nicht genau sagen, ob wirklich dieselben Zellen sowohl bei der Ausübung als auch bei der Beobachtung einer Bewegung feuern. Um diese Ungenauigkeit zu berücksichtigen, spricht man bei Daten aus dem Hirnscanner häufig nicht von Spiegelneuronen, sondern von einem »Spiegelneuronen-System« oder von »Regionen mit Spiegeleigenschaften« (siehe »Das Spiegelsystem im Gehirn«).

© Spektrum der Wissenschaft, nach Heyes, C., Catmur, C.:
What Happened to Mirror Neurons?

Perspectives on Psychological Science 17, 2022, fig 1 (Ausschnitt) Das Ende eines Hypes? | Die Anzahl der Publikationen zum Thema »Spiegelneurone« von 1996 bis 2019.

Caroline Catmur vom King's College London, eine Expertin auf dem Gebiet, blickt auf die vergangenen Jahre seit Rizzolattis Entdeckung zurück: »In den letzten drei Jahrzehnten haben Wissenschaftler den Spiegelneuronen eine Menge Funktionen zugesprochen. Aber viele dieser großen Behauptungen lassen sich nicht mehr halten, auch weil Forscher inzwischen vorsichtiger an die Sache herangehen.« Welche sind die »großen Behauptungen«, und wie steht es heute um sie?

1. Dank der Spiegelneurone können wir Handlungen erkennen und nachahmen

Forscherinnen und Forscher sind sich größtenteils darüber einig, dass Spiegelneurone es uns ermöglichen, Handlungen zu erkennen und zu imitieren. Werden Hirnregionen mit Spiegeleigenschaften geschädigt, können die Betroffenen Bewegungen schlechter identifizieren als Menschen ohne solche Verletzungen, wie 2014 ein Team um Cosimo Urgesi von der italienischen Universität Udine in einer studienübergreifenden Analyse von 361 Patienten herausfand. So fällt es ihnen etwa schwerer, menschliche Bewegungsmuster aus sich bewegenden Punkten herauszulesen. Zudem haben Probanden Probleme damit, Fingerbewegungen zu imitieren, wenn ihr Gyrus frontalis inferior durch magnetische Impulse gehemmt wird, wie Marc Heiser 2003 gemeinsam mit anderen Wissenschaftlern von der University of California, Los Angeles, belegte.

Diese Ergebnisse bestätigte eine Forschungsgruppe um Ellen Binder von der Universität Köln. Sie wies 2017 nach, dass Menschen mit Schäden in Hirnregionen, in denen sich Spiegelneurone befinden, schlechter im Nachahmen von Handlungen sind als Personen ohne Verletzungen in den entsprechenden Bereichen. »Ich glaube, es gibt ausreichend Hinweise darauf, dass Gehirnregionen mit Spiegelneuronen beteiligt sind, wenn wir etwas nachahmen oder Bewegungen erkennen«, sagt Catmur.

2. Spiegelneurone sind die Grundlage für die »Theory of Mind«

Doch diese Zellen hätten wohl kaum ihren Bekanntheitsgrad erreicht, wenn sie ausschließlich mit dem Kopieren von Bewegungen in Verbindung gebracht worden wären. Die Idee, dass im Gehirn Neurone auf die Gebärden anderer reagieren, lädt dazu ein, größer zu denken. Spiegeln sie dann vielleicht auch innere Zustände? Sind sie möglicherweise sogar der Grund, warum wir eine Ahnung davon haben, was in den Köpfen anderer vor sich geht?

Fachleute sprechen bei dieser Fähigkeit von der »Theory of Mind«. Schon 1998 veröffentlichte Vittorio Gallese, der Teil der Entdeckergruppe um Rizzolatti war, zusammen mit dem amerikanischen Philosophen Alvin Goldman einen Aufsatz über die Rolle der Spiegelneurone in der »Theory of Mind«. In den folgenden Jahren versuchten Forschende in Experimenten zu zeigen, dass die Nervenzellen nicht bloß auf fremde Handlungen reagieren, sondern auch die dahinterliegende Absicht des Gegenübers erkennen.


© Yousun Koh, nach Molenberghs, P. et al.: Brain regions with mirror properties: A meta-analysis of 125 human fMRI studies. Neuroscience & Biobehavioral Reviews 36, 2012, fig. 6 (Ausschnitt)

Das Spiegelsystem im Gehirn | Diese Regionen (beschränkt auf die Hirnoberfläche) wurden in mehreren Studien mit Spiegeleigenschaften in Verbindung gebracht. In Rot: Areale, in denen Pascal Mohlenberghs und seine Kollegen 2012 in einer zusammenfassenden Analyse von 125 fMRT-Studien Spiegeleigenschaften nachgewiesen haben. In Grün: Zu sehen ist eine der Regionen, in denen Roy Mukamel 2010 erstmalig Spiegelneurone mittels Zellableitungen beim Menschen gefunden hat. In Blau: Im Broca-Areal (F5 bei Makaken) hat Giacomo Rizzolatti 1992 die besonderen Nervenzellen entdeckt.
 

In einer viel beachteten Neurostimulationsstudie von 2014 spielten Kognitionswissenschaftler um John Michael, der mittlerweile an der Central European University in Budapest forscht, Versuchspersonen Videos von Pantomimen vor. Die Probanden sollten aus einer Reihe von Bildern jenes auswählen, welches am besten zu der dargestellten Handbewegung passte (etwa eine Gießkanne). Dafür mussten sie die Handlung richtig erkennen. In einer anderen Bedingung war es zusätzlich wichtig, den Kontext zu beachten, in dem die Handbewegung ausgeführt wurde. So kann eine Geste des Ausgießens im Garten bedeuten, dass man die Pflanzen wässert. Am Essenstisch hingegen schüttet man wohl eher Tee in eine Tasse. Um den korrekten Gegenstand, also entweder Gieß- oder Teekanne, auszuwählen, war es laut den Forschern nicht nur notwendig, die Handlung zu identifizieren, die Versuchspersonen mussten zudem die dahinterliegende Absicht richtig deuten können.

Als das Team den prämotorischen Kortex der Teilnehmenden mit magnetischen Signalen hemmte, schnitten diese in beiden Aufgaben schlechter ab. Für Catmur ist das Experiment kein Beweis dafür, dass Spiegelneurone mentale Zustände wie eine Handlungsabsicht codieren. Die Ergebnisse ließen sich erklären, wenn die Nervenzellen bloß auf die rein äußerliche Handlung ansprechen. Michael stimmt der Kritik zu: »Das ist möglich. Das Experiment veranschaulicht aber auch, dass das Erkennen von Bewegungen durchaus Teil des Verstehens von Absichten sein kann.«

Eine andere Herangehensweise wählten 2014 Robert Spunt und Ralph Adolphs vom California Institute of Technology. Um die Identifikation von Bewegungen und das Verstehen der Absicht dahinter zu entkoppeln, sollten ihre Probanden entweder angeben, wie andere Personen eine bestimmte Handlung durchführen (»Hebt die Person jemanden hoch?«) oder warum sie sie ausüben (»Hilft die Person jemandem?«). Die Forscher verwendeten für beide Fragen dasselbe Foto. Wenn sie also Unterschiede zwischen beiden Bedingungen beobachteten, konnten sie sicher sein, dass diese nicht auf einer unterschiedlichen Verarbeitung der Bilder beruhten. Die Hirnregionen mit Spiegelneuronen zeigten in der »Wie«-Bedingung stärkere Aktivitäten. Während der »Warum«-Aufgabe feuerten hingegen vor allem Nervenzellen in Bereichen der präfrontalen Hirnrinde, die Neurowissenschaftler auch schon vorher mit Theory-of-Mind-Prozessen assoziiert hatten. Der Befund spricht somit gegen die Beteiligung der Spiegelneurone an der Theory of Mind.

»Spiegelneurone helfen uns dabei, herauszufinden, was eine andere Person gerade macht, aber nicht, warum sie das tut«( Caroline Catmur, Psychologin)

Im Unterschied zu Spunt und Adolphs hatte John Michael die Hirnaktivität der Teilnehmenden direkt mittels Magnetimpulsen beeinflusst. Solche »disruptiven« Studien sind im Allgemeinen überzeugender, weil man damit zeigen kann, dass eine Region wirklich notwendig und nicht einfach nur während einer Aufgabe aktiv ist. Dennoch findet die britische Psychologin Catmur: »Die Forschung der letzten Jahre zeigt, dass Spiegelneurone uns dabei helfen, herauszufinden, was eine andere Person gerade macht, aber nicht, warum sie das tut.« Allerdings gibt Michael zu bedenken: »Vieles hängt auch davon ab, was das bedeutet: Absichten zu verstehen. Darüber gibt es bis heute keinen klaren Konsens.«

3. Spiegelneurone sind die Wiege unserer Sprache

1998 stellten Rizzolatti und der englische Neurowissenschaftler und Informatiker Michael Arbib die These auf, die menschliche Sprache sei vor allem durch das Zutun von Spiegelneuronen entstanden. Der Gedanke ist naheliegend: Die italienische Forschergruppe entdeckte die Nervenzellen erstmals in der Area F5 im Motorkortex der Affen. Beim Menschen heißt diese Region »Broca-Areal« und bildet eine der Hauptkomponenten des Sprachnetzwerks. Zudem entladen sich die Neurone, wenn man etwa die Arme bewegt oder anderen dabei zuschaut; da erscheint es durchaus plausibel, dass sie für die Kommunikation über Gesten wichtig sind. Von dort ist es zumindest theoretisch kein weiter Weg zur Entstehung von Sprache.

Ein Team um Stephen Wilson von der Vanderbilt University in Nashville untermauerte diese Theorie 2004 mit Daten aus dem Hirnscanner. Im MRT sollten Versuchspersonen einzelnen Silben entweder lauschen oder sie nachsprechen. In beiden Bedingungen wurden Teile der motorischen Hirnrinde mit Spiegeleigenschaften aktiv. Verstehen wir also Sprache, indem Spiegelneurone im Motorkortex die Laute unseres Gegenübers nachahmen? Es gibt zahlreiche Befunde, die gegen diese Vermutung sprechen. Schon 1978 fand eine Arbeitsgruppe um Jay Mohr, der heute an der Columbia University in New York forscht, heraus: Menschen, die auf Grund von Schädigungen im Broca-Areal nicht richtig sprechen können, sind trotzdem in der Lage, Wörter und Sätze genau zu verstehen.

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»Es ist hilfreich, zwischen Sprechakten und Sprache zu unterscheiden«, sagt Catmur. »Sprache ist sehr vielseitig, man kann auch über Gebärdensprache oder Schriftwechsel miteinander kommunizieren, dafür sind verbale Laute überhaupt nicht notwendig.« Trotzdem glaubt sie, dass Spiegelneurone eine Funktion beim Verstehen von Sprechakten übernehmen. Neueren Studien zufolge könnten sie vor allem dann wichtig sein, wenn etwas schwer zu verstehen ist, zum Beispiel bei verzerrten Lauten oder in störenden Geräuschkulissen: »Wir alle wissen mittlerweile, dass es schwerer ist, jemanden zu verstehen, der eine Schutzmaske trägt. Das liegt zum einen daran, dass unsere Stimmen dumpfer werden, und zum anderen daran, dass uns visuelle Reize fehlen, die unser motorisches System sonst nutzt.«

Für diese Theorie sprechen auch die Ergebnisse der Neurowissenschaftlerin Helen Nuttall. 2018 untersuchte sie mit Kollegen und Kolleginnen vom University College London, wie sich die Stimulation des motorischen Kortex auf das Sprachverständnis auswirkt. Mittels magnetischer Impulse hemmten sie bei Freiwilligen jeweils 20 Sekunden lang die Regionen mit Spiegeleigenschaften. Anschließend brauchten die Versuchspersonen länger, verzerrte Silben zu verstehen. Waren die Silben nicht verzerrt, unterschied sich die Reaktionszeit hingegen nicht. Catmur vermutet, dass das Gehirn in solchen Fällen das eigene Motorsystem ansteuert, um eine Prognose über das gerade Vernommene zu treffen, und diese mit den gehörten Lauten abgleicht. Selbst wenn Spiegelneurone wohl wichtig sind, wenn wir miteinander kommunizieren, unerlässlich seien sie nicht. »Die große Behauptung, dass Spiegelneurone für die Entstehung unserer Sprache verantwortlich sind, wurde mit den Jahren schrittweise kleiner«, sagt Catmur.

4. Spiegelneurone machen uns empathisch

»Der eigentlich große und interessante Schritt war unsere Entdeckung, dass der Spiegelmechanismus nicht nur bei Handlungen, sondern auch bei Emotionen wirkt«, schwärmt Rizzolatti. Zahlreiche Studien belegen: Es gibt Nervenzellen im menschlichen Gehirn, die sowohl beim Beobachten wie beim Erleben desselben Gefühls aktiv sind. Fausto Caruana aus Rizzolattis Forschungsgruppe bestätigte das 2020 erneut. Zusammen mit Neurochirurgen aus Mailand untersuchte er Zellen im zingulären Kortex. Diese Region liegt auf dem Balken, der beide Hemisphären miteinander verbindet und nicht zu den klassischen Spiegelregionen gehört.

Als das Forschungsteam einzelne Neurone von Epilepsiepatienten stimulierte, fingen diese plötzlich an zu lachen. Die Zellen feuerten auch dann, wenn Caruana den Probanden Videoaufnahmen von lachenden Menschen vorspielte – sie spiegelten somit die Freude der anderen. »Das ist extrem interessant, weil es uns zeigt, wie Empathie entsteht«, sagt Rizzolatti. »Nämlich, wenn sich die Gefühlszustände von zwei Menschen einander angleichen.«

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Spieglein, Spieglein | Makaken spielten bei der Entdeckung der Spiegelneurone eine große Rolle. Rizzolatti und sein Team entdeckten die besonderen Neurone zuerst im Motorkortex der Äffchen.

Doch machen uns Spiegelneurone empathisch, bloß weil sie die Emotionen unserer Mitmenschen nachzeichnen? Catmur ist skeptisch: »Es kommt ganz darauf an, was man unter Empathie versteht. Heißt das einfach nur, Qualen zu leiden, wenn man jemanden sieht, der sich vor Schmerzen krümmt? Oder braucht es auch eine mitfühlende Antwort? Dann wäre es etwa empathisch, dem leidenden Menschen zu helfen.«

Soukayna Bekkali und andere Wissenschaftler der Deakin University in Melbourne sehen das ähnlich. Laut ihrer Übersichtsarbeit aus dem Jahr 2021 setzen Forscher in den meisten Studien zu dem Thema ein zu einfaches Empathieverständnis voraus. Das australische Team argumentiert, Empathie gehe über das bloße Imitieren von emotionalen Verhaltensweisen hinaus. Womöglich sind die Neurone im zingulären Kortex tatsächlich wichtig für die Entstehung von Empathie. Pauschale Behauptungen wie »Spiegelneurone machen uns empathisch« sind jedoch zu vereinfachend und vernachlässigen, dass etwas so Komplexes wie Mitgefühl durch das Zusammenspiel mehrerer Hirnregionen entsteht. Insgesamt sei die Studienlage aber zu dünn, um ein abschließendes Urteil zu fällen. 

5. Ein »zerbrochener Spiegel« ist die Ursache von Autismus

Viele Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen sind der Meinung, Spiegelneurone seien vor allem bei sozialen Interaktionen gefragt. Daher rührt auch die Hypothese des »zerbrochenen Spiegels« von Lindsay Oberman und Vilayanur Ramachandran. Nach deren Einschätzung ist das »Spiegelsystem« von Autisten gestört, was erklären soll, warum sie gerade in zwischenmenschlichen Situationen Schwierigkeiten haben.

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Zwar gibt es Hinweise darauf, dass Menschen mit Autismus Handlungen schlechter imitieren können. Jedoch stellte Antonia Hamilton vom University College London 2013 in einer Begutachtung von 25 neurowissenschaftlichen Studien fest, dass es vor allem sozial komplexere Handlungen sind, die Autisten nicht so gut nachahmen können. Wenn es zum Beispiel um einfache Handbewegungen geht, die nicht emotional behaftet sind, imitieren Autisten diese mindestens genauso gut wie neurotypische Menschen. Manche Hirnregionen mit Spiegelneuronen sind dabei sogar stärker aktiv als bei Nichtautisten. Zu dem Ergebnis kamen die australischen Forscherinnen Jie Yang und Jessica Hofmann 2016 ebenfalls in einer Übersichtsarbeit.

»Autisten wissen nicht immer, wann sie etwas imitieren oder was sie nachahmen sollen. Doch dafür sind weniger defekte Spiegelneurone verantwortlich als vielmehr Entscheidungssysteme im präfrontalen Kortex«, sagt Hamilton. Die Psychologin schreibt dem Spiegelsystem eine spezifischere Aufgabe zu: »Es ermöglicht Menschen, die Handlungen anderer zu sehen, auf diese Handlungen zu reagieren und sie zu imitieren. Aber eben nur durch die Zusammenarbeit mit anderen Gehirnsystemen wie dem präfrontalen Kortex.

Blick in den Rückspiegel

2021 veröffentlichte Caroline Catmur gemeinsam mit Cecilia Heyes von der University of Oxford ein Resümee über das in den letzten 30 Jahren gesammelte Wissen zu den Spiegelneuronen. Das Fazit der britischen Expertinnen klingt ernüchternd: Die geheimnisumwitterten Nervenzellen können uns demnach dabei helfen, zu verstehen, wie wir Bewegungen erkennen und imitieren. Außerdem trügen sie zu bestimmten Aspekten des Sprachverständnisses bei. Zu ihrer Rolle bei der Entstehung von Empathie und der Theory of Mind äußern sich die Forscherinnen eher verhalten.

Warum diskutieren Fachleute nach Jahrzehnten Forschung immer noch so kontrovers über die Rolle der Spiegelneurone? Vielleicht liegt ein Problem gerade in der sehr eingängigen Bezeichnung: »Allein der Name suggeriert schon eine bestimmte Sichtweise auf die Funktion von Spiegelneuronen«, sagt John Michael, dessen Pantomimenstudie oft als ein Beweis dafür herangezogen wird, dass die Zellen die Theory of Mind ermöglichen. Catmur ergänzt: »Selbst, wenn jemand noch nie etwas über die Forschung gehört hat, wird er wahrscheinlich denken, Spiegelneurone hätten etwas mit Empathie zu tun. Und ich glaube, das ist ein Problem.«

»Wir erleben gerade eine regelrechte Renaissance des Spiegelsystems in der Neurologie« (Giacomo Rizzolatti, Neurophysiologe)

Zudem verschwamm in der anfänglichen Studienflut immer mehr, welche Nervenzellen nun eigentlich mit Spiegelneuronen gemeint sind. Für Catmur sind das ausschließlich die ursprünglich in den motorischen Bereichen des Gehirns entdeckten Neurone. Allerdings fand man ähnliche Eigenschaften auch in anderen Regionen. Etwa die Zellen im zingulären Kortex, deren Stimulation unfreiwilliges Lachen auslöst. Deshalb spricht Rizzolatti von einem »Spiegel-Mechanismus«. Solche Uneinigkeiten führten laut Michael dazu, dass das Forschungsinteresse abnahm: »Die Debatte wurde unproduktiv, weil sich Menschen auf allen Seiten nicht verstanden. Anstatt Energie für terminologische Streitereien zu verschwenden, verwendeten die Forscher kurzerhand lieber andere Begriffe oder sprechen nur von ›motorischen Neuronen‹.«

Diese Einschätzung erweckt den Eindruck, die Spiegelneurone seien zum Opfer ihres eigenen Ruhms geworden. Doch selbst da sind sich die Experten nicht einig. »Wir erleben gerade eine regelrechte Renaissance des Spiegelsystems in der Neurologie«, entgegnet Rizzolatti. Er ist davon überzeugt, dass Spiegelneurone auch in der Rehabilitation eine besondere Rolle spielen. 2021 widmete er sich in einem Fachartikel dem »action observation treatment«, also der Behandlung von Bewegungseinschränkungen durch die reine Beobachtung ebendieser Abläufe. Es wird somit nicht langweilig um die vermutlich bekanntesten Nervenzellen. Und wir fragen uns weiter: »Spieglein, Spieglein nah der Stirn, was macht ihr bloß in meinem Gehirn?«

 

Nota. - Wenn Sie mein Blog verfolgen, wissen Sie schon, was ich hervorheben will: dass es nämlich Hand lungen sind, die spiegelnd verstanden werden. Das leisten Sinnesreize. Das Verstehen der dahinterliegenden Absicht bedarf dagegen schon des reflektierenden Beitrags anderer Areale, der aus den beobachteten Bewgungen ein Bild macht. Anders gesagt: Was als Input gefühlt wird, wird im Output bestimmt.

Ansonsten ist der Ertrag: Die sogenannten Spiegelneurone gibt es wirklich. Sie sind nur nicht die Wundertüten, als die sie anfangs ausgegeben wurden. Was sie leisten, ist prosaisch, aber immens: das innerliche "nach-Vollziehen" einer wahrgenommenen Handlung; und nicht anders kann ich an ihr "Anteil nehmen", nicht anders können Menschen gesellschaft-lich miteinander verkehren.
JE