Denken Sie an ein paar Zufallszahlen. Zahlen wie 8, 12, 876, 93 ... Dies sind Zufallszahlen in der Biologie, und diese scheinbar einfachen Zahlen enthalten Schlüssel zu den tiefsten Geheimnissen des Universums – zu uns selbst. Um genauer (und weniger dramatisch) zu sein: Nicht die Zahlen, sondern der Prozess, durch den Zahlen erzeugt werden, haben schwerwiegende Auswirkungen. Man kann zum Beispiel einige faszinierende Fragen stellen wie Sind diese Zahlen wirklich zufällig? Ist es wahrscheinlich, dass ich auf die gleichen Zahlen komme, wenn ich in Zukunft nach Zufallszahlen gefragt werde? Wie produziert unser Gehirn diese Zufallszahlen? Ist es wahrscheinlich, dass das Gehirn einfach ein paar Zahlen als zufällig markiert hat? Gibt es einen Algorithmus, bei dem Zufallsprozesse wie das Würfeln unbewusst im Gehirn ablaufen? Sind unsere Denkprozesse frei? Gibt es überhaupt so etwas wie einen freien Willen? Sie alle haben sicherlich zu Recht bemerkt, dass dies die Fragen sind, auf die wir im Moment keine zufriedenstellenden Antworten haben. Einige von Ihnen glauben wahrscheinlich, dass die Wissenschaft letztendlich die richtigen Antworten auf diese Fragen finden wird, und bis dahin besteht kein Grund, um den heißen Brei herumzureden und einen Hype zu veranstalten. Die meisten von Ihnen wissen vielleicht nicht, dass die Wissenschaft einige Antworten und Hinweise hat, mit denen sich mit etwas mehr Aufwand einige tiefgreifende Fragen beantworten lassen. Am Ende dieses Beitrags schlage ich ein Experiment vor, das Sie zu Hause durchführen können, um Ihre Denkprozesse zu untersuchen. Lassen Sie uns in der Zwischenzeit über einige zufällige Prozesse sprechen. Wahrgenommene Zufälligkeit ist nicht zufällig Suchen wir in der mechanischen Welt da draußen nach Zufallszahlen. Diese sind das Ergebnis von Zufallsprozessen wie dem Werfen einer Münze oder dem Würfeln. Es gibt andere Zufallsphänomene wie die Anzahl der roten Autos, die an einem Tag eine Kreuzung überqueren, die Anzahl der Meteoriten, die in unsere Atmosphäre eintreten usw. Dann gibt es die Ausgabe von (oder einer anderen Routine Ihrer bevorzugten Computersprache). Letztere ist sicherlich nicht zufällig, da sie die Ausgabe eines Algorithmus ist. Der Algorithmus wird dieselben Zahlen erzeugen, wenn er seine Berechnungen mit derselben „Startzahl“ beginnt. Dies sind tatsächlich pseudozufällige Zahlen. Gut für alle praktischen Zwecke, aber völlig vorhersehbar und daher nicht genau zufällig. numpy.random.rand() Der größte Teil der Zufälligkeit, der wir in unserem Leben ausgesetzt sind, ist in Wirklichkeit Pseudozufälligkeit, die durch einen Mangel an Informationen verursacht wird. Nehmen wir das andere Beispiel – die Anzahl der roten Autos, die eine Kreuzung überqueren. Die Person, die an der Kreuzung wartet, mag das Auftauchen eines roten Autos als Zufallsprozess empfinden, aber eine Person, die über einen Satelliten die Live-Verkehrsansicht der Region hat, weiß, wie viele rote Autos die Kreuzung überqueren werden. Der Prozess, der für einen Beobachter scheinbar zufällig ist, ist für einen anderen Beobachter mit mehr Informationen völlig deterministisch. Dies ist ein allgemeines Merkmal der meisten Zufälligkeiten, denen wir in unserem täglichen Leben begegnen. Die scheinbare Zufälligkeit ist auf einen Mangel an Informationen zurückzuführen. Denken Sie jetzt an den Münzwurf. Auch hier ist das Ergebnis scheinbar zufällig. Aber glauben Sie wirklich, dass wir eine Rakete in den Weltraum feuern und genau bestimmen können, wann und wo sie auf dem Mars landen wird, aber nicht das Ergebnis des Münzwurfs vorhersagen können? Unterscheiden sich die Gesetze, die die Bewegung der Rakete bestimmen, so sehr von denen, die die Bewegung der Münze bestimmen? Das ist tatsächlich nicht der Fall. In beiden Fällen gelten die gleichen physikalischen Gesetze. Der einzige Unterschied besteht darin, dass uns genaue Informationen über die Dynamik der Münze beim Werfen fehlen. Nicht, dass diese Informationen nicht vorhanden wären. Wir machen uns einfach nicht die Mühe, sie abzurufen, und tun so, als hätte die Natur eine zufällige Entscheidung getroffen, aus welchem Grund auch immer die Münze geworfen wurde. Tatsächlich kann das Videomaterial der ersten Sekundenbruchteile einer gerade geworfenen Münze durch eine schnelle Filmkamera die Dynamik der Münze entschlüsseln und das Ergebnis des Wurfs vorhersagen. Dasselbe gilt für den Würfelwurf, Ihre Lieblingslotterie oder die meisten Zufallsprozesse, die Sie sich vorstellen können (Wortspiel beabsichtigt). Dies liegt daran, dass die Naturgesetze, denen wir in unserem täglichen Leben ausgesetzt sind (der Einfachheit halber die Newtonschen Gesetze, die wir in der Schule lernen), deterministisch sind. Wenn Sie die Anfangsbedingungen (Positionen, Geschwindigkeiten) der betreffenden Objekte und die auf diese Objekte einwirkenden Kräfte kennen, können Sie die zukünftige Dynamik der Objekte genau bestimmen. Alles, was in diesem Bereich zufällig erscheint, ist auf unseren fehlenden Zugriff auf die Informationen zurückzuführen. Die Informationen sind da. Wir brauchen nur bessere Technologien, um diese Informationen aufzuzeichnen und zu verarbeiten. Casinos könnten in naher Zukunft pleitegehen, wenn unsere Smartphones beginnen, das Ergebnis der Würfel vorherzusagen, während diese noch rollen. Das bedeutet, dass in ein paar Jahrzehnten das Werfen einer Münze und das Würfeln vielleicht nicht mehr nützen werden als heute der Abakus. Wir hätten die erforderliche Technologie in unseren Smartphones, die in der Lage wäre, die Dynamik der Münze in Bruchteilen einer Sekunde aufzulösen und das Ergebnis vorherzusagen. Ein paar schnelle Schnappschüsse von einem Würfelwurf und unsere Telefone werden das Ergebnis des Wurfs vorhersagen. Vielleicht gibt es Leute, die gerade solche Apps entwickeln. Vielleicht gibt es Leute, die gerade auf diese Weise Geld verdienen. Aber für bescheidenere Leute wie uns ist eine natürliche Frage, wie wir in Zukunft in Casinos spielen werden? Oder Spiele starten? Oder Lotterien gewinnen? Und für diejenigen unter Ihnen präsentiere ich pure, nackte, reine Zufälligkeit – die Quantenmechanik. Erleben Sie echten Zufall ist eine Theorie, die sich mit der Beschreibung der Natur auf der grundlegendsten Ebene beschäftigt. Auf dieser Ebene beschäftigen wir uns mit den Bausteinen von Materie und Energie, Atomen, Molekülen, Elektronen, Photonen usw. Auf dieser Ebene verhält sich die Natur ganz anders, als sie in unserem Alltag erscheint, wie wir gleich sehen werden. Die Quantenmechanik Eine Quantenmünze Denken Sie noch einmal an den Münzwurf. Aber diesmal ist es eine Quantenmünze, zum Beispiel der Spin eines Elektrons. Elektronen sind Teil der Bausteine der Materie. Sie sind der Geist, den wir aus der magischen Teekanne befreit haben, mit dem Unterschied, dass wir mehr als drei Wünsche haben. Alles um Sie herum, das sich bewegt, Geräusche macht und kein Baby ist, wird von Elektronen angetrieben. Die Elektronen haben eine Eigenschaft namens Spin. Die Messung des Spins von Elektronen ist ganz einfach. Sie müssen das Elektron nur an einem keilförmigen Magneten vorbeiführen. Das Magnetfeld eines solchen Magneten übt eine Kraft auf das Elektron aus und das Elektron wird je nach seinem Spin in die eine oder andere Richtung abgelenkt. Bei einem Experiment zur Messung des Spins eines Elektrons stellen wir fest, dass es nur zwei mögliche Werte gibt. Wir bezeichnen sie als Kopf (Spin-up) und Schwanz (Spin-down) und haben so eine Quantenmünze. Wenn Sie jetzt die Quantenmünze werfen, erhalten Sie wieder ein zufälliges Ergebnis, entweder Kopf oder Zahl. Der Unterschied zur klassischen Münze (die wir zuvor besprochen haben) besteht jedoch darin, dass die Unbestimmtheit nicht auf einen Mangel an Informationen zurückzuführen ist. Wir wissen alles, was es über das Elektron zu wissen gibt, und dennoch gibt es keine Möglichkeit vorherzusagen, ob die Spinmessung zu Spin Up (Kopf) oder Spin Down (Zahl) führen wird. Jedes Ereignis in der Quantenwelt ist ein Würfelwurf. Dies steht im Gegensatz zur klassischen Münze, bei der der Zufall auf einen Mangel an Informationen zurückzuführen ist. Dies ist das erste Mysterium der Natur auf der Quantenebene. Die Natur erlaubt es uns nicht zu wissen, wann und welche grundlegende Wechselwirkung zwischen den Bausteinen von Materie und Energie stattfinden wird. Jedes Ereignis, das auf dieser Ebene stattfindet, ist ein Würfelwurf. Tatsächlich war dieser Aspekt der Quantenmechanik seit den Anfängen der Theorie Gegenstand lebhafter Debatten. Viele Menschen, darunter auch Albert Einstein, waren mit der indeterministischen Beschreibung von Ereignissen auf Quantenebene nicht zufrieden. Sie haben sicher sein berühmtes Zitat gehört: „ “. Er glaubte, dass die Theorie unvollständig sei und dass ihr wahrscheinlich einige verborgene Variablen fehlten, die, wenn sie zur Beschreibung hinzugefügt würden, die klassische Welt wiederherstellen würden, wie der Determinismus in der Quantenwelt. Gott würfelt nicht Zahlreiche Experimente in den letzten 100 Jahren haben jedoch die Möglichkeit dieser Theorien verborgener Variablen ausgeschlossen. Und unser bestes Verständnis der Natur auf Quantenebene beruht auf der Quantenmechanik, die es uns prinzipiell nicht erlaubt, das Ergebnis des Wurfs einer Quantenmünze vorherzusagen. Der entscheidende Punkt bis hierhin ist, dass bei einem klassischen Zufallsprozess die Informationen zwar vorhanden, aber möglicherweise nicht zugänglich sind, der Quantenprozess jedoch von Natur aus zufällig ist. Es fehlen keine Informationen. Mit diesem Verständnis der Zufallsprozesse in der klassischen und der Quantenwelt sind wir bereit, die wirklich großen Fragen der biologischen Welt zu untersuchen. Zunächst einmal kann man erkennen, dass der freie Wille, der in der deterministischen Welt der klassischen Gesetze fehlt, dank des Indeterminismus in der Quantenwelt wiederhergestellt werden kann. Das Einzige, was wir erforschen müssen, ist, nach Quantensignaturen in der Funktionsweise des Gehirns zu suchen. Viele Leute haben dies bereits vorgeschlagen, aber die heutige Technologie verspricht eine experimentelle Überprüfung. Wir könnten bald fantastische Neuigkeiten von Leuten hören, die sich mit Quantenbiologie beschäftigen. Design in Verkleidung? Dann gibt es noch eine andere Frage, über die ich sprechen möchte. Betrachten wir das Leben. Es gibt zwei vorherrschende Theorien über die Entstehung des Lebens auf diesem Planeten. Entweder sind wir Teil eines intelligenten Designs, oder das Leben entstand durch Zufall auf diesem Planeten und entwickelte sich durch zufällige Mutationen zu all den Lebensformen, die wir heute beobachten (und leider auch zu denen, die wir vom Planeten ausgerottet haben). Die Wissenschaft bevorzugt natürlich die zweite Ansicht. Aber die meisten Menschen, die die wissenschaftliche Ansicht bevorzugen, erkennen nicht, dass in ihrer Weltanschauung immer noch die Möglichkeit eines Designs besteht. Denn wir müssen noch feststellen, ob die Prozesse, die Mutationen in einem Genom verursachen, klassischen oder Quantengesetzen unterliegen. Wenn klassische Gesetze diese Mutationen zufriedenstellend modellieren können, dann sind sie nicht zufällig. Es handelt sich um deterministische Prozesse, für die die Informationen, also das Design, bereits vorhanden waren. Ob jemand diese Informationen hatte (der allmächtige Gott?) oder nicht, ist eine andere Frage und kann subjektiv beantwortet werden. Objektiv kann festgestellt werden, dass ein Design vorhanden war. Dies ist eine einzigartige Perspektive eines Physikers auf die Debatte zwischen natürlicher Selektion und intelligentem Design. Weitere Forschungen in der Quantenbiologie und die Erforschung von Quantensignaturen bei genetischen Mutationen werden zeigen, ob wir Teil eines Designs oder das Ergebnis wirklich zufälliger Unfälle sind. Die Quantenbiologie wird zeigen, ob wir geschaffen sind. Zum Schluss möchte ich Ihnen, wie versprochen, ein Experiment zur Erforschung der Denkprozesse vorschlagen. Mit etwas Geduld und viel Mut können Sie dieses Experiment ganz einfach zu Hause durchführen. Nehmen Sie ein Stück Papier und schreiben Sie ein paar zufällige Zahlen darauf. Falten Sie das Papier und legen Sie es in eine Schachtel. Legen Sie die Schachtel beiseite. Warten Sie nun ein paar Wochen. Versuchen Sie in der Zwischenzeit nicht, sich an die Zahlen zu erinnern, die Sie geschrieben haben. Öffnen Sie die Schachtel natürlich nicht. Nehmen Sie nach ein paar Wochen ein weiteres Stück Papier, schreiben Sie erneut ein paar zufällige Zahlen darauf und legen Sie es in dieselbe Schachtel. Warten Sie erneut ein paar Wochen und wiederholen Sie den Vorgang. Über einen längeren Zeitraum (sagen wir ein Jahr oder sechs Monate) werden Sie eine Menge gefalteter Papiere in der Schachtel haben. Öffnen Sie nun die Box und sehen Sie sich alle Zufallszahlen an, die Sie im Laufe der Zeit geschrieben haben. Sind sie alle zufällig? Gibt es einige beliebte Zufallszahlen? Gibt es Muster? Gibt es ein Design?
