Archiv der Kategorie: Thermodynamik

K.G.DENBIGH: AN INVENTIVE UNIVERSE – Relektüre – Teil 1b – Homo sapiens als Zeitmaschine

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K.G.Denbigh (1975), „An Inventive Universe“, London: Hutchinson & Co.

RÜCKBLICK

1. Dies ist eine direkte Fortsetzung von Teil 1 der Relektüre von Kenneth George Denbighs Buch „An Inventive Universe“.

2. Wie jeder sofort feststellen kann, der das erste Kapitel von diesem Buch direkt liest, habe ich bislang eigentlich weniger die Position von Denbigh selbst dargestellt als vielmehr meine eigenen Gedanken, die die Lektüre in mir angestoßen hatten. Daher soll hier, der Vollständigkeit halbe, eine Skizze der Position von Denbigh nachgeholt werden.

MULTIDISZIPLINÄR

3. Das Faszinierende an diesem ersten Kapitel mit dem Titel ‚Konstruktion der Zeit‘ ist, dass Denbigh als Theoretiker der Thermodynamik hier auch Erfahrungsbereiche zu Wort kommen lässt, die abseits der Physik liegen: Alltagserfahrung, Entwicklungspsychologie und Philosophie. Diese setzt er dann mit den Erkenntnissen der Physik in Beziehung.

ALLTAGSERFAHRUNG

4. Im Komplex Alltagserfahrung, der sich mit den philosophischen Erkenntnissen überlappt, geht es um Phänomene wie ‚Konstanz‘, ‚durchhaltende Identität‘ (’sameness‘), ’sukzessiver Charakter‘ der Ereignisse, ’nicht umkehrbar‘, ‚Vorher – Nachher‘, ‚Erinnerbarkeit‘ sowie ‚Gegenwart (= Jetzt), Vergangenheit, Zukunft‘.

5. Vor diesem Hintergrund erscheint die Wirklichkeit veränderlich, mit einer Richtung, die nicht umkehrbar ist. Was immer einmal passiert ist, gegenwärtig ist, jetzt präsent ist, es wird im Gedächtnis aufbewahrt als ’schon mal passiert‘ und damit als ‚vergangen‘. Das ‚Vergangene‘ ist das ‚Erinnerbare‘, ‚Vorstellbare‘, das gedachte Virtuelle, und das ‚Jetzt‘ ist das qualitativ andere, besondere, gegenwärtig Reale. Obwohl der Augenblick als solcher ‚ewig‘ und ‚unendlich‘ erscheint, ist er mit Bezug auf das Erinnerbare punktuell, begrenzt, endlich.

6. Schwierig ist zu sagen, was das ‚Zukünftige‘ ist: sofern es noch nicht passiert ist, ist es nicht erinnerbar, aber auch nicht gegenwärtig.

ENTWICKLUNGSPSYCHOLOGIE

7. Aus Sicht der Entwicklungspsychologie (er erwähntJean Piaget (1896 – 1980)) sind die Zeitbegriffe nicht von Anfang an für einen Menschen verfügbar. Er muss sie lernen. Dazu gehört die Erfahrung der ‚Ko-Existenz‘ von Objekten, ihre ‚Fortdauer‘, die Asymmetrie und Transitivität von Vorher- und Nachher-Beziehungen oder der interpretative Charakter von Beziehungen zwischen A und B: verursacht A das B oder umgekehrt?

PHILOSOPHIE

8. In der Philosophie identifiziert er zwei Meinungsgruppen: die A-Theoretiker (erwähnt werden C.D.Broad, A.N.Prior) benutzen als Basis die Begriffe ‚Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft‘ mit der Zusatzannahme, dass sich diese Begriffe dynamisch verschieben, da sich die Gegenwart verschiebt. Was gerade noch Gegenwart war, das ist jetzt Vergangenheit.

9. Die B-Thoretiker (erwähnt werden H.Weyl, B.Russel, A.Grünbaum, J.J.C.Smart) benutzen die Beziehung ‚Vorher-Nachher‘ und gehen davon aus, dass alle Ereignisse ‚gleich real‘ sind; unabhängig vom Bewusstsein gibt es keine Vergangenheit, Gegenwart oder Zukunft. Diese Position erscheint damit bezüglich der Zeit als ’statisch‘.

PHYSIK

10. Diese philosophischen Positionen spiegeln auch ein wenig die Positionen in der Physik wieder: einerseits gibt es Theorien (Newtonsche Mechanik, Quantenmechanik, Elektromagnetismus), die invariant sind bezüglich der Zeit (Prozesse sind umkehrbar; die Zeit-variable kann ohne Einschränkung als ‚+t‘ oder als ‚-t‘ benutzt werden); dann gibt es aber auch Theorien (Thermodynamik, statistische Thermodynamik, Wellentheorie), die sich auf Prozesse beziehen, die nicht invariant sind bezüglich der Zeit, da sie (nach bisherigen empirischen Feststellungen) unumkehrbar sind.

11. Was ist jetzt wahr? Gibt es unterschiedliche physikalische Wahrheiten?

GERICHTETHEIT DER ZEIT

12. Denbigh bietet folgende Gedanken an: Da es ja tatsächlich empirische Prozesse gibt (im kleinen wie auch im kosmischen Maßstab), die nicht zeitinvariant sind, können die zeitinvarianten Theorien nicht allgemeingültig sein. Tatsächlich ist es auch so, dass bei Anwendung von zeitinvarianten Modellen jeweilige Startbedingungen (Anwendungsbedingungen, ‚boundary conditions‘) berücksichtigt werden müssen. Damit eine Folge von Zuständen (S0, …, Si, …, Sn) in beide Richtungen gerechnet werden kann, müssen bestimmte Annahmen gemacht werden. Und er vermutet, dass es diese Annahmen sind, die die Invarianz soweit modifizieren, dass sie letztlich aufgehoben ist. Er sieht hier einen ‚Mangel an Symmetrie‘ (‚lack of symmetry‘), was dann auf ein Argument für die ‚Gerichtetheit der Zeit‘ hinausläuft.

13. Vor diesem Hintergrund sieht es Denbigh auch als ein indirektes Argument für die Gerichtetheit der Naturprozesse an, dass die komplexe menschliche Zeitwahrnehmung (Zusammenspiel von aktueller Wahrnehmung und Gedächtnis für Vergangenes) ja nicht aus dem Nichts kommt, sondern ein Produkt der biologischen Evolution ist, die speziell jene Eigenschaften in einem biologischen Organismus fördert, die den Eigenschaften des Naturprozesses möglichst nahe kommen. In der menschlichen Wahrnehmung gibt es eine quasi eingebaute Richtung in den Ereignissen. Dazu kommt, dass biologische Prozesse auf allen Ebenen (phylogenetisch, ontogenetisch und als Erhaltung des Gleichgewichts) gerichtete Prozesse sind.

14. Für Denbigh ist das Phänomen des Bewusstseins in diesem Kontext eindeutig ein natürliches Phänomen, ein Teil der Natur. (vgl. S.43,44)

DISKUSSION

15. Am Ende des ersten Kapitels zur ‚Konstruktion der Zeit‘ überwiegen die Argumente (subjektiv wie objektiv), dass die zeitliche Dimension als ‚gerichtet‘ erscheint, als ’nicht umkehrbar‘.

Physikalisch gibt es keine Zeit

16. Ferner ist auch deutlich, dass es wenig Sinn macht, unabhängig vom Menschen über Zeit zu sprechen, da Zeit nicht als direktes physikalisches Objekt vorkommt. Physikalisch gesehen ‚existiert‘ die Zeit nicht, sie kommt nicht vor, sie ist letztlich nicht messbar. Was wir messen sind unsere eigenen ‚Uhren‘, die wir gebaut haben, um Ereignissen Uhrenereignisse zuzuordnen, mit deren Hilfe wir indirekt Naturvorgänge ‚messen‘. Weder die Uhrenereignisse als solche noch das, was wir da messen, ist ein originärer physikalischer Gegenstand.

17. Mindestens der homo sapiens als biologisches Wesen wurde im Laufe von vielen Milliarden Jahren Entwicklungszeit so ‚ausgelegt‘, dass er die aktuelle Wahrnehmung (Jetzt, Gegenwart) mit Hilfe eines verbundenen Gedächtnisses ‚übersteigen’/ ‚überwinden’/ ‚transzendieren‘ kann, indem er aktuelle Ereignisse ’speichern‘ und dann wieder ‚aufrufen’/ ‚erinnern‘ kann. Damit wird die aktuelle Gegenwart sichtbar als das ‚Element‘ einer ‚Folge‘ von Ereignissen‘, die sich idealisiert als eine ‚Vorher-Nachher‘ Folge konstruieren lässt. Alles, was nicht Gegenwart ist, ist Vergangenheit. Mit dem Vorher-Nachher ist die Folge gerichtet. Das biologische System homo-sapiens ist also so gebaut, dass es alle Ereignisse als ‚gerichtet‘ wahrnimmt.

Homo sapiens als Zeitmaschine

18. Man kann also sagen, dass mindestens das biologische System Homo sapiens insofern eine ‚Zeitmaschine‘ ist: der Homo sapiens transformiert die Naturereignisse ‚automatisch’/ ‚unbewusst‘, ‚vor-bewusst‘ in eine gerichtete Ordnung, die er dann als ‚Zeit‘ ‚empfindet’/ ‚wahrnimmt‘. So gesehen gibt es Zeit nicht in der Natur als solcher sondern erst in der ‚Zeitmaschine‘ Homo sapiens, die wie ein spezieller komplexer Sensor für ‚Gerichtetheit der Ereignisse‘ wirkt. Ohne den Homo sapiens gibt es keine Zeit; es gibt nur Prozesse, die man physikalisch als ‚physikalisch gerichtet‘ charakterisieren könnte. Die Ereignisse selbst haben aber keine ‚Zeitwahrnehmung‘ und unabhängig von diesen Prozessen gibt es keine Instanz, die sich explizit mit dieser ‚Gerichtetheit‘ beschäftigt. Die Gerichtetheit liegt ‚im Prozess‘, nicht mehr.

19. Tatsächlich kommt beim Homo sapiens als Zeitmaschine noch ein weiteres Moment hinzu, das wichtig ist. Mit der aktuellen Wahrnehmung und dem Gedächtnis für vergangenes Aktuelles ist zwar das ‚Fundament‘ für eine Wahrnehmung von ‚Zeit‘ gegeben, aber erst mit der zusätzlichen ’symbolischen Repräsentation‘ von aktuellen wie erinnerten Ereignissen gewinnt diese grundlegende Fähigkeit ihre volle Bedeutung. Aufgrund des sehr beschränkten Arbeitsgedächtnisses des Homo sapiens kann er komplexere Sachverhalte nur dann sichtbar machen, erkennen und denken, wenn er es schafft, diese mit Hilfe einer Sprache (Zeichen, Gesten, Symbole, …) für sich selbst und für andere zu repräsentieren. Allein schon die Einführung von Zahlzeichen für größere Mengen von Gegenständen war eine deutliche Erweiterung seiner Erkenntnis- und Kommunikationsfähigkeit.

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QUELLEN

1. Kenneth George Denbigh (1965 – 2004), Mitglied der Royal Society London seit 1965 (siehe: https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_Fellows_of_the_Royal_Society_D,E,F). Er war Professor an verschiedenen Universitäten (Cambridge, Edinburgh, London); sein Hauptgebet war die Thermodynamik. Neben vielen Fachartikeln u.a. Bücher mit den Themen ‚Principles of Chemical Equilibrium, ‚Thermodynamics of th Steady State‘ sowie ‚An Inventive Universe‘.

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Buch: Die andere Superintelligenz. Oder: schaffen wir uns selbst ab? – Kapitel 5 – neu – Version 2

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Journal: Philosophie Jetzt – Menschenbild, ISSN 2365-5062, 27.August 2015
URL: cognitiveagent.org
Email: info@cognitiveagent.org

Autor: Gerd Doeben-Henisch
Email: gerd@doeben-henisch.de

VORBEMERKUNG: Der folgende Text ist ein Vorabdruck zu dem Buch Die andere Superintelligenz. Oder: schaffen wir uns selbst ab?, das im November 2015 erscheinen soll.

Was ist Leben?

Erst die Erde

Etwa 9.2 Mrd Jahre nach dem sogenannten Big Bang kam es zur Entstehung unseres Sonnensystems mit der Sonne als wichtigstem Bezugspunkt. Nur ca. 60 Mio Jahre später gab es unsere Erde. Die Zeitspanne, innerhalb der Spuren von Leben auf der Erde bislang identifiziert wurden, liegt zwischen -4 Mrd Jahre von heute zurück gerechnet bis ca. -3.5 Mrd Jahre. Oder, vom Beginn der Erde aus gesehen, ca. 540 Mio Jahre bis ca. 1 Mrd Jahre nach der Entstehung der Erde.

Alte Bilder vom Leben

Wenn man vom Leben spricht, von etwas Belebtem im Gegensatz zum Unbelebtem, fragt man sich sofort, wie man ‚Leben‘ definieren kann? In der zurückliegenden Geschichte gab es viele Beschreibungs- und Definitionsversuche. Einer, der heute noch begrifflich nachwirkt, ist die Sicht der Philosophie der Antike (ca. -600 bis 650) . Hier wurde das ‚Atmen‘ (gr. ‚pneo‘) als charakteristisches Merkmal für ‚Lebendiges‘ genommen, wodurch es vom ‚Unbelebtem‘ abgegrenzt wurde. Aus dem ‚Atmen‘ wurde zugleich ein allgemeines Lebensprinzip abgeleitet, das ‚Pneuma‘ (im Deutschen leicht missverständlich als ‚Geist‘ übersetzt, im Lateinischen als ’spiritus‘), das sich u.a. im Wind manifestiert und ein allgemeines kosmologisches Lebensprinzip verkörpert, das sowohl die Grundlage für die psychischen Eigenschaften eines Lebewesens bildet wie auch für seine körperliche Lebendigkeit. In der Medizin gab es vielfältige Versuche, das Pneuma im Körper zu identifizieren (z.B. im Blut, in der Leber, im Herzen, im Gehirn und den Nerven). Im philosophischen Bereich konnte das Pneuma ein heißer Äther sein, der die ganze Welt umfasst. Eine andere Auffassung sieht das Pneuma zusammengesetzt aus Feuer und Luft, woraus sich alle Körper der Welt bilden. Das Pneuma wird auch gesehen als die ‚Seele‘, die allein das Leben des Körpers ermöglicht. Bei den Stoikern wird das Pneuma-Konzept zum allumfassenden Begriff einer Weltseele gesteigert. Mit der Zeit vermischte sich der Pneuma-Begriff mit dem Begriff ’nous‘ (Kurzform für ’noos‘)(Englisch als ‚mind‘ übersetzt; Deutsch ebenfalls als ‚Geist‘), um darin die kognitiv-geistige Dimension besser auszudrücken. Weitere einflussreiche begriffliche Koordinierungen finden statt mit dem lateinischen ‚mens‘ (Deutsch auch übersetzt mit ‚Geist‘) und dem hebräischen ‚ruach‘ (im Deutschan ebenfalls mit ‚Geist‘ übersetzt; bekannt in der Formulierung ‚Der Geist Gottes (= ‚ruach elohim‘) schwebte über den Wassern‘; in der Septuaginta, der griechischen Übersetzung der hebräischen Bibel, heißt es ‚pneuma theou‘ (= der Geist Gottes)) (Anmerkung: Diese Bemerkungen sind ein kleiner Extrakt aus der sehr ausführlichen begriffsgeschichtlichen Herleitung in Sandkühler 2010)

Die Zelle im Fokus

War es für die antiken Philosophen, Mediziner und Wissenschaftler noch praktisch unmöglich, die Frage nach den detaillierten Wirkprinzipien des ‚Lebens‘ genauer zu beantworten, erarbeitete sich die moderne Naturwissenschaft immer mehr Einsichten in die Wirkprinzipien biologischer Phänomene (bei Tieren, Pflanzen, Mikroben, molekularbiologischen Sachverhalten), so dass im Laufe des 20.Jahrhunderts klar wurde, dass die Gemeinsamkeit aller Lebensphänomene auf der Erde in jener Superstruktur zu suchen ist, die heute (biologische) Zelle genannt wird.

Alle bekannten Lebensformen auf der Erde, die mehr als eine Zelle umfassen (wir als Exemplare der Gattung homo mit der einzigen Art homo sapiens bestehen aus ca. 10^13 vielen Zellen), gehen zu Beginn ihrer körperlichen Existenz aus genau einer Zelle hervor. Dies bedeutet, dass eine Zelle über alle notwendigen Eigenschaften verfügt, sich zu reproduzieren und das Wachstum eines biologischen Systems zu steuern.

So enthält eine Zelle (Anmerkung: Für das Folgende benutze ich B.Alberts et.al (2008)) alle Informationen, die notwendig sind, um sowohl sich selbst zu organisieren wie auch um sich zu reproduzieren. Die Zelle operiert abseits eines chemischen Gleichgewichts, was nur durch permanente Aufnahme von Energie realisiert werden kann. Obwohl die Zelle durch ihre Aktivitäten die Entropie in ihrer Umgebung ‚erhöht‘, kann sie gegenläufig durch die Aufnahme von Energie auch Entropie verringern. Um einen einheitlichen Prozessraum zu gewährleisten, besitzen Zellen eine Membran, die dafür sorgt, dass nur bestimmte Stoffe in die Zelle hinein- oder herauskommen.

Keine Definition für außerirdisches Leben

Obgleich die Identifizierung der Zelle samt ihrer Funktionsweise eine der größten Errungenschaften der modernen Wissenschaften bei der Erforschung des Phänomens des Lebens darstellt, macht uns die moderne Astrobiologie darauf aufmerksam, dass eine Definition der Lebensphänomene mit Einschränkung des Blicks auf die speziellen Bedingungen auf der Erde nicht unproblematisch ist. Wunderbare Bücher wie „Rare Earth“ von Peter Douglas Ward (Geboren 1949) und Donald Eugene Brownlee (Geboren 1943) „ASTROBIOLOGY. A Multidisciplinary Approach“ von Jonathan I.Lunine (Geb. 1959) machen zumindest sichtbar, wo die Probleme liegen könnten. Lunine diskutiert in Kap.14 seines Buches die Möglichkeit einer allgemeineren Definition von Leben explizit, stellt jedoch fest, dass es aktuell keine solche eindeutige allgemeine Definition von Leben gibt, die über die bekannten erdgebundenen Formen wesentlich hinausgeht. (Vgl. ebd. S.436)

Schrödingers Vision

Wenn man die Charakterisierungen von Leben bei Lunine (2005) in Kap.14 und bei Alberts et.al (2008) in Kap.1 liest, fällt auf, dass die Beschreibung der Grundstrukturen des Lebens trotz aller Abstraktionen tendenziell noch sehr an vielen konkreten Eigenschaften hängen.

Erwin Rudolf Josef Alexander Schrödinger (1887-1961), der 1944 sein einflussreiches Büchlein „What is Life? The Physical Aspect of the Living Cell“ veröffentlichte, kannte all die Feinheiten der modernen Molekularbiologie noch nicht . Schrödinger unterzog das Phänomen des Lebens einer intensiven Befragung aus Sicht der damaligen Physik. Auch ohne all die beeindruckenden Details der neueren Forschung wurde ihm klar, dass das hervorstechendste Merkmal des ‚Biologischen‘, des ‚Lebendigen‘ die Fähigkeit ist, angesichts der physikalisch unausweichlichen Zunahme der Entropie einen gegensätzlichen Trend zu realisieren; statt wachsender Unordnung als Entropie diagnostizierte er eine wachsende Ordnung als negative Entropie, also als etwas, was der Entropie entgegen wirkt.

Diesen Gedanken Schrödingers kann man weiter variieren und in dem Sinne vertiefen, dass der Aufbau einer Ordnung Energie benötigt, mittels der Freiheitsgrade eingeschränkt und Zustände temporär ‚gefestigt‘ werden können.

Fragt sich nur, warum?

Alberts et.al (2008) sehen das Hauptcharakteristikum einer biologischen Zelle darin, dass sie sich fortpflanzen kann, und nicht nur das, sondern dass sie sich selbstmodifizierend fortpflanzen kann. Die Realität biologischer Systeme zeigt zudem, dass es nicht nur um ‚irgendeine‘ Fortpflanzung ging, sondern um eine kontinuierlich optimierende Fortpflanzung.

Metastrukturen

Nimmt man diese Eckwerte ernst, dann liegt es nahe, biologische Zellen als Systeme zu betrachten, die einerseits mit den reagierenden Molekülen mindestens eine Objektebene [O] umfasst und in Gestalt der DNA eine Art Metaebene [M]; zwischen beiden Systemen lässt sich eine geeigneten Abbildung [R] in Gestalt von Übersetzungsprozessen realisieren, so dass die Metaebene M mittels Abbildungsvorschrift R in eine Objektebene O übersetzt werden kann ($latex R: M \longmapsto O$). Damit eine Reproduktion grundsätzlich gelingen kann, muss verlangt werden, dass das System mit seiner Struktur ‚lang genug‘ stabil ist, um solch einen Übersetzungsprozess umsetzen zu können. Wie diese Übersetzungsprozesse im einzelnen vonstatten gehen, ist letztlich unwichtig. Wenn in diesem Modell bestimmte Strukturen erstmals realisiert wurden, dann fungieren sie als eine Art ‚Gedächtnis‘: alle Strukturelemente von M repräsentieren potentielle Objektstrukturen, die jeweils den Ausgangspunkt für die nächste ‚Entwicklungsstufe‘ bilden (sofern sie nicht von der Umwelt ‚aussortiert‘ werden).

Die Rolle dieser Metastrukturen lässt sich letztlich nicht einfach mit den üblichen chemischen Reaktionsketten beschreiben; tut man es dennoch, verliert man die Besonderheit des Phänomens aus dem Blick. Eine begriffliche Strategie, um das Phänomen der ‚wirkenden Metastrukturen‘ in den Griff zu bekommen, war die Einführung des ‚Informationsbegriffs‘.

Information

Grob kann man hier mindestens die folgenden sprachlichen Verwendungsweisen des Begriffs ‚Information‘ im Kontext von Informationstheorie und Molekularbiologie unterscheiden:

  1. Unreflektiert umgangssprachlich (‚Information_0‘)
  2. Anhand des Entscheidungsaufwandes (Bit) (‚Information_1‘)
  3. Rein statistisch (a la Shannon 1948) (‚Information_2‘)
  4. Semiotisch informell (ohne die Semiotik zu zitieren) (‚Semantik_0‘)
  5. Als komplementär zur Statistik (Deacon) (‚Semantik_1‘)
  6. Als erweitertes Shannonmodell (‚Semantik_2‘)

Information_0

Die ‚unreflektiert umgangssprachliche‘ Verwendung des Begriffs ‚Information‘ (hier: ‚Information_0‘) brauchen wir hier nicht weiter zu diskutieren. Sie benutzt den Begriff Information einfach so, ohne weitere Erklärungen, Herleitungen, Begründungen. (Ein Beispiel Küppers (1986:41ff))

Information_1

Die Verwendung des Begriffs Information im Kontext eines Entscheidungsaufwandes (gemessen in ‚Bit‘), hier als ‚Information_1‘ geht auf John Wilder Tukey (1915-2000) zurück.

Information_2

Shannon (1948) übernimmt zunächst diesen Begriff Information_1, verzichtet dann aber im weiteren Verlauf auf diesen Informationsbegriff und führt dann seinen statistischen Informationsbegriff ein (hier: ‚Information_2‘), der am Entropiekonzept von Boltzmann orientiert ist. Er spricht dann zwar immer noch von ‚Information‘, bezieht sich dazu aber auf den Logarithmus der Wahrscheinlichkeit eines Ereignisses, was alles und jedes sein kann. Ein direkter Bezug zu einem ’speziellen‘ Informationsbegriff (wie z.B. Information_1) besteht nicht. Man kann die logarithmierte Wahrscheinlichkeit eines Ereignisses als ‚Information‘ bezeichnen (hier: ‚Information_2‘), aber damit wird der Informationsbegriff inflationär, dann ist alles eine Information, da jedes Ereignis mindestens eine Wahrscheinlichkeit besitzt. (Leider benutzt auch Carl Friedrich von Weizsäcker (1971:347f) diesen inflationären Begriff (plus zusätzlicher philosophischer Komplikationen)). Interessanterweise ist es gerade dieser inflationäre statistische Informationsbegriff Information_2, der eine sehr starke Resonanz gefunden hat.

Semantik 0

Nun gibt es gerade im Bereich der Molekularbiologie zahlreiche Phänomene, die bei einer Beschreibung mittels eines statistischen Informationsbegriffs wichtige Momente ihres Phänomens verlieren. (Dazu eine kleine Übersicht bei Godfrey-Smith, Kim Sterelny (2009)) Ein Hauptkritikpunkt war und ist das angebliche Fehlen von Bedeutungselementen im statistischen Modell von Shannon (1948). Man spricht auch vom Fehlen einer ‚Semantik‘. Allerdings wird eine Diskussion der möglichen Bedeutungsmomente von Kommunikationsereignissen unter Verwendung des Begriffs ‚Semantik‘ auch oft unreflektiert alltagssprachlich vorgenommen (hier: Semantik_0′), d.h. es wird plötzlich von Semantik_0 gesprochen (oft noch erweitert um ‚Pragmatik‘), ohne dass die Herkunft und Verwendung dieses Begriffs in der Wissenschaft der Semiotik weiter berücksichtigt wird. (Ein Beispiel für solch eine verwirrende Verwendungsweise findet sich z.B. wieder bei Weizsäcker (1971:350f), wo Information_0, Information_2 sowie Semantik_0 miteinander frei kombiniert werden, ohne Berücksichtigung der wichtigen Randbedingungen ihrer Verwendung; ganz ähnlich Küppers (1986:61ff); zur Semiotik siehe Noeth (2000)). Ein anderes neueres Beispiel ist Floridi (2015:Kap.3+4) Er benutzt zwar den Begriff ‚Semantik‘ extensiv, aber auch er stellt keinen Bezug zur semiotischen Herkunft her und verwendet den Begriff sehr speziell. Seine Verwendung führt nicht über den formalen Rahmen der statistischen Informationstheorie hinaus.

Semantik 1

Sehr originell ist das Vorgehen von Deacon (2007, 2008, 2010). Er diagnostiziert zwar auch einen Mangel, wenn man die statistische Informationstheorie von Shannon (1948) auf biologische Phänomene anwenden will, statt sich aber auf die schwierige Thematik einer expliziten Semantik einzulassen, versucht er über die Ähnlichkeit des Shannonschen statistischen Informationsbegriffs mit dem von Boltzmann einen Anschluss an die Thermodynamik zu konstruieren. Von dort zum Ungleichgewicht biologischer Systeme, die durch Arbeit und Energieaufnahme ihr Gleichgewicht zu halten versuchen. Diese Interaktionen des Systems mit der Umgebung modifizieren die inneren Zustände des Systems, die wiederum dann das Verhalten des Systems ‚umweltgerecht‘ steuern. Allerdings belässt es Deacon bei diesen allgemeinen Annahmen. Die ‚Abwesenheit‘ der Bedeutung im Modell von Shannon wird über diese frei assoziierten Kontexte – so vermutet man als Leser – mit den postulierten internen Modifikationen des interagierenden Systems begrifflich zusammengeführt. Wie dies genau gedacht werden kann, bleibt offen.

Semantik 2

So anregend die Überlegungen von Deacon auch sind, sie lassen letztlich offen, wie man denn – auch unter Berücksichtigung des Modells von Shannon – ein quasi erweitertes Shannonmodell konstruieren kann, in dem Bedeutung eine Rolle spielt. Hier eine kurze Skizze für solch ein Modell.

Ausgehend von Shannons Modell in 1948 besteht die Welt aus Sendern S, Empfängern D, und Informationskanälen C, über die Sender und Empfänger Signale S eingebettet in ein Rauschen N austauschen können (<S,D,S,N,C> mit C: S —> S x N).

Ein Empfänger-Sender hat die Struktur, dass Signale S in interne Nachrichten M dekodiert werden können mittels R: S x N —> M. Umgekehrt können auch Nachrichten M in Signale kodiert werden mit T: M —> S. Ein minimaler Shannon Sender-Empfänger hat dann die Struktur <M, R, T>. So gesehen funktionieren R und T jeweils als ‚Schnittstellen‘ zwischen dem ‚Äußeren‘ und dem ‚Inneren‘ des Systems.

In diesem minimalen Shannonmodell kommen keine Bedeutungen vor. Man kann allerdings annehmen, dass die Menge M der Nachrichten eine strukturierte Menge ist, deren Elemente Paare der Art (m_i,p_i) in M mit ‚m_i‘ als Nachrichtenelement und ‚p_i‘ als Wahrscheinlichkeit, wie oft dieses Nachrichtenelement im Kanal auftritt. Dann könnte man Shannons Forml H=-Sum(p_i * log2(p_i)) als Teil des Systems auffassen. Das minimale Modell wäre dann <M, R, T, H>.

Will man ‚Bedeutungen‘ in das System einführen, dann muss man nach der Semiotik einen Zeichenbegriff für das System definieren, der es erlaubt, eine Beziehung (Abbildung) zwischen einem ‚Zeichenmaterial‚ und einem ‚Bedeutungsmaterial‚ zu konstruieren. Nimmt man die Signale S von Shannon als Kandidaten für ein Zeichenmaterial, fragt sich, wie man das Bedeutungsmaterial B ins Spiel bringt.

Klar ist nur, dass ein Zeichenmaterial erst dann zu einem ‚Zeichen‘ wird, wenn der Zeichenbenutzer in der Lage ist, dem Zeichenmaterial eine Bedeutung B zuzuordnen. Eine einfache Annahme wäre, zu sagen, die dekodierten Nachrichten M bilden das erkannte Zeichenmaterial und der Empfänger kann dieses Material irgendwelchen Bedeutungen B zuordnen, indem er das Zeichenmaterial M ‚interpretiert‚, also I : M —> B. Damit würde sich die Struktur erweitern zu <B, M, R, T, H, I>. Damit nicht nur ein Empfänger ‚verstehen‘ kann, sondern auch ‚mitteilen‘, müsste der Empfänger als Sender Bedeutungen auch wieder ‚umgekehrt lesen‘ können, also -I: B —> M. Diese Nachrichten könnten dann wieder mittels T in Signale übersetzt werden, der Kanal sendet diese Signale S angereichert mit Rauschen N zum Empfänger, usw. Wir erhalten also ein minimal erweitertes Shannon Modell mit Bedeutung als <B, M, R, T, H, I, -I>. Ein Sender-Empfänger kann also weiterhin die Wahrscheinlichkeitsstruktur seiner Nachrichten auswerten; zusätzlich aber auch mögliche Bedeutungsanteile.

Bliebe als Restfrage, wie die Bedeutungen B in das System hineinkommen bzw. wie die Interpretationsfunktion I entsteht?

An dieser Stelle kann man die Spekulationen von Deacon aufgreifen und als Arbeitshypothese annehmen, dass sich die Bedeutungen B samt der Interpretationsbeziehung I (und -I) in einem Adaptionsprozess (Lernprozess) in Interaktion mit der Umgebung entwickeln. Dies soll an anderer Stelle beschrieben werden.

Für eine komplette Beschreibung biologischer Phänomene benötigt man aber noch weitere Annahmen zur Ontogense und zur Phylogense. Diese seien hier noch kurz skizziert. (Eine ausführliche formale Darstellung wird anderswo nachgeliefert).

Ontogenese

Von der Lernfähigkeit eines biologischen Systems muss man die Ontogenese unterscheiden, jenen Prozess, der von der Keimzelle bis zum ausgewachsenen System führt.

Die Umsetzung der Ontogenese in einem formalen Modell besteht darin, einen Konstruktionsprozess zu definieren, das aus einem Anfangselement Zmin das endgültige System Sys in SYS erstellen würde. Das Anfangselement wäre ein minimales Element Zmin analog einer befruchteten Zelle, das alle Informationen enthalten würde, die notwendig wären, um diese Konstruktion durchführen zu können, also Ontogenese: Zmin x X —> SYS. Das ‚X‘ stünde für alle die Elemente, die im Rahmen einer Ontogenese aus der Umgebung ENV übernommen werden müssten, um das endgültige system SYS = <B, M, R, T, H, I, -I> zu konstruieren.

Phylogenese

Für die Reproduktion der Systeme im Laufe der Zeiten benötigte man eine Population von Systemen SYS, von denen jedes System Sys in SYS mindestens ein minimales Anfangselement Zmin besitzt, das für eine Ontogenese zur Verfügung gestellt werden kann. Bevor die Ontogenese beginnen würde, würden zwei minimale Anfangselemente Zmin1 und Zmin2 im Bereich ihrer Bauanleitungen ‚gemischt‘. Man müsste also annehmen, dass das minimale System um das Element Zmin erweitert würde SYS = <B, M, Zmin, R, T, H, I, -I>.

Erstes Zwischenergebnis

Auffällig ist also, dass das Phänomen des Lebens

  1. trotz Entropie über dynamische Ungleichgewichte immer komplexere Strukturen aufbauen kann.
  2. innerhalb seiner Strukturen immer komplexere Informations- und Bedeutungsstrukturen aufbaut und nutzt.

So wie man bislang z.B. die ‚Gravitation‘ anhand ihrer Wirkungen erfasst und bis heute erfolglos zu erklären versucht, so erfassen wir als Lebende das Leben anhand seiner Wirkungen und versuchen bis heute auch erfolglos, zu verstehen, was hier eigentlich passiert. Kein einziges physikalisches Gesetzt bietet auch nur den leisesten Anhaltspunkt für dieses atemberaubende Geschehen.

In dieser Situation den Menschen als eine ‚vermutlich aussterbende Art‘ zu bezeichnen ist dann nicht einfach nur ‚gedankenlos‘, sondern im höchsten Maße unwissenschaftlich, da es letztlich einer Denkverweigerung nahe kommt. Eine Wissenschaft, die sich weigert, über die Phänomene der Natur nachzudenken, ist keine Wissenschaft.

Fortsetzung Folgt.

QUELLEN

  1. H.J. Sandkühler (Hg.), 2010, „Enzyklopädie Philosophie“, Hamburg: Felix Meiner Verlag, Band 1: Von A bis H, Kapitel: Geist, SS.792ff
  2. B.Alberts et.al (Hg.), 2008, „Molecular Biology of the CELL“, Kap.1, 5.Aufl., New York: Garland Science, Taylor & Francis Group
  3. Peter Douglas Ward und `Donald Eugene Brownlee (2000),“Rare Earth: Why Complex Life Is Uncommon in the Universe“, New York: Copernikus/ Springer,
  4. Jonathan I.Lunine (2005), „ASTROBIOLOGY. A Multidisciplinary Approach“, San Francisco – Boston – New York et al.: Pearson-Addison Wesley
  5. Zu Schroedinger 1944: Based on Lectures delivered under the auspices of the Institute at Trinity College, Dublin, in February 1943, Cambridge: University Press. 1944. Ich selbst habe die Canto Taschenbuchausgabe der Cambridge University von 1992 benutzt. Diese Ausgabe enthält ‚What is Life?‘, ‚Mind from Matter‘, sowie autobiographischen Angaben und ein Vorwort von Roger Penrose
  6. Anmerkung zu Schroedinger 1944: Sowohl James D. Watson (2003) wie auch ähnlich Francis Crick (1990) berichten, dass Schrödingers Schrift (bzw. einer seiner Vorträge) sie für ihre Erforschung der DNA stark angeregt hatte.
  7. James D.Watson und A.Berry(2003), „DNA, the Secret of Life“, New York: Random House
  8. Francis Crick (1990),„What Mad Pursuit: A Personal View of Scientific Discovery“, Reprint, Basic Books
  9. Peter Godfrey-Smith und Kim Sterelny (2009) Biological Information“, in: Stanford Enyclopedia of Philosophy
  10. Carl Friedrich von Weizsäcker (1971), „Die Einheit der Natur“, München: Carl Hanser Verlag
  11. Bernd-Olaf Küppers (1986), „Der Ursprung biologischer Information. Zur Naturphilosophie der Lebensentstehung“, München – Zürich: Piper Verlag.
  12. Claude E. Shannon, A mathematical theory of communication. Bell System Tech. J., 27:379-423, 623-656, July, Oct. 1948
  13. Claude E. Shannon; Warren Weaver (1949) „The mathematical theory of communication“. Urbana – Chicgo: University of Illinois Press.
  14. Noeth, W., Handbuch der Semiotik, 2. vollst. neu bearb. und erw. Aufl. mit 89 Abb. Stuttgart/Weimar: J.B. Metzler, xii + 668pp, 2000
  15. Luciano Floridi (2015) Semantic Conceptions of Information, in: Stanford Enyclopedia of Philosophy
  16. Deacon, T. (2007), Shannon-Boltzmann-Darwin: Redfining information. Part 1. in: Cognitive Semiotics, 1: 123-148
  17. Deacon, T. (2008), Shannon-Boltzmann-Darwin: Redfining information. Part 2. in: Cognitive Semiotics, 2: 167-194
  18. Terrence W.Deacon (2010), „What is missing from theories of information“, in: INFORMATION AND THE NATURE OF REALITY. From Physics to Metaphysics“, ed. By Paul Davies & Niels Henrik Gregersen, Cambridge (UK) et al: Cambridge University Press, pp.146 – 169

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BUCHPROJEKT 2015 – Zwischenreflexion 14.August 2015 – THERMODYNAMIK, BIOLOGISCHE SYSTEME. Viele offene Fragen

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Der folgende Beitrag bezieht sich auf das Buchprojekt 2015.

Letzte Aktualisierungen: 14.Aug.2015, 18:45h

1. Der Ausflug in die Thermodynamik im Zusammenhang mit einer Definition des biologischen Lebens erweist sich als äußerst fruchtbar (es gab schon frühere Blogeinträge zum Thema. Einige findet man, wenn man unter www.cognitiveagent.org auf der rechten Seite bei den Kategorien die Kategorie ‚Energie – freie‘ anklickt. Hier besonders interessant vielleicht der Eintrag zu einem Buch von Paul Davies). Als hervorragende Quelle zum Thema benutze ich das Buch „ASTROBIOLOGY. A Multidisciplinary Approach“, von Jonathan I.Lunine (San Francisco – Boston – New York et al.: Pearson-Addison Wesley, 2005), dazu viele weitere Quellen.

2. Wir Menschen (‚homo sapiens‘) als einzige überlebende Art der Gattung ‚homo‘ sind ja nur ein Teil des umfassenderen Phänomens des biologischen Lebens auf er Erde (und soweit bis heute bekannt im ganzen bekannten Universum).

3. Das biologisch Leben wiederum ist nur ein kleiner Bereich im Gesamt des universalen Geschehens.

4. Die Physiker haben für dieses Gesamtgeschehen unterschiedliche Beschreibungsmodelle entwickelt, die bis heute weder vollständig sind noch völlig integriert. Vielleicht kann man hier von ‚Teiltheorien‘ sprechen, die jeweils eine Menge Phänomene gut ‚beschreiben‘, aber eben nicht alle.

5. Eine solche Teiltheorie ist für mich die Thermodynamik, die in Form ihrer vier Hauptsätze (0 – 3) eine Kernidee besitzt, die dann aber für die unterschiedlichsten Bereiche ‚angepasst‘, ’spezialisiert‘ wurden. Zugleich wurden mögliche weitere Sätze hinzugefügt. Man kann nicht behaupten, dass die Thermodynamik in dieser Form eine geschlossene Theorie darstellt; noch weniger ist sie überzeugend mit den übrigen physikalischen Teiltheorien integriert.

6. Interessant ist auch die Korrespondenzbeziehung der Thermodynamik zum Entropiebegriff. Aufgrund der durchgängigen Korrespondenz des Redens über ‚Entropie‘ und des Redens über ‚Thermodynamik‘ liegt es nahe, eine gemeinsame Struktur zu unterstellen, die beiden Begriffsnetzen zugrunde liegt, d.h. Dass es letztlich ein Modell dazu gibt. Der Ansatzpunkt dazu liegt in der Art und Weise, wie man in der Basis-Formel ΔE = Q + Q den Term ‚Q‘ (für Wärme) und ‚W‘ (für Arbeit) interpretiert. Wärme bezieht sich hier auf eine innere energetische Eigenschaft einer Materieeinheit (gebundene Energie und kinetische Energie) und Arbeit auf Zustandsänderungen des Systems. Je nach Anwendungsgebiet muss diese innere Energie und müssen die Zustandsänderungen in konkrete Eigenschaften ‚übersetzt‘ werden.

7. In der Thermodynamik im engeren Sinne spielt Gravitation keine Rolle. Da aber im realen physikalisch bekannten Universum u.a. die Gravitation überall wirksam ist, kann es keine Systeme geben, die ‚außerhalb‘ der Gravitation vorkommen. Dies bedeutet, dass Gravitation immer wirkt und damit ein Kraft ausübt, die umso stärker sichtbar wird, umso größer die beteiligten Massen sind, die dann zugleich ‚Druck‘ ‚auf sich selbst‘ und ‚aufeinander ‚ausüben. Wie bekannt ist es die Gravitation die zu Materieansammlungen geführt hat, zu Sternenbildungen, innerhalb der Sterne zu Fusionsprozessen, die unterschiedliche schwere Elemente erzeugt haben, die große Teile von Energie gebunden haben. Diese durch die Gravitation umgeformte Energie liegt in unterschiedlichen Zustandsformen vor. Sofern Energie über Temperatur ‚messbar‘ ist, spricht man zwar von ‚Wärme‘ (Q), aber die Wärme korrespondiert mit den inneren Eigenschaften der jeweiligen Systeme, die wiederum über ihre kernphysikalischen Eigenschaften definiert sind. ‚Wärme‘ erscheint insofern nur als ein Art Hilfsbegriff, um solche impliziten kernphysikalischen Eigenschaften zu beschreiben, durch die Energie kodiert ist.

8. Mit dem Entropiebegriff (S) kann man über viele kernphysikalische Spezialitäten hinwegsehen und und ein beliebiges System als eine Menge von Elementen betrachten, deren Verhalten statistisch maximal unsicher ist und damit maximal viele Freiheitsgrade besitzt (in physikalischen Systemen bei sehr hohen Temperaturen) oder wo alle Zustände maximal wahrscheinlich sind und minimale Freiheitsgrade besitzen (physikalisch bei sehr tiefen Temperaturen). Das Maximum der Entropie ist bei maximalen Freiheitsgraden gegeben.

9. Nach dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik tendieren geschlossene Systeme zum Zustand maximaler Entropie, da die Unterschiede in der Energieverteilung sich langfristig ‚ausgleichen‘.

10. Im bekannten Universum ist dieser Zustand noch nicht erreicht. Aufgrund der Wirkung der Gravitation gibt es viele Bereiche höherer Materiekonzentration und damit höherer Energiedichte. Diese lokalen Energiekonzentrationen folgen einer Prozesslogik, die zunächst immer mehr Energie anzieht, durch die begleitenden Drücke zu chemischen Prozessen führt, die viel Energie an die Umgebung abgeben, bis der Prozess in sich zusammenbricht. Die Energie, die in die Umgebung abgegeben wird erhöht einerseits die Entropie, stellt aber für andere Systeme ‚freie Energie‘ dar, die für/ in diesen anderen Systemen ‚Wirkungen‘ erzielen kann (z.B. in der Atmosphäre der Erde Wirbelstürme).

11. Im Falle biologischer Strukturen haben wir es mit Strukturen zu tun, die in der Lage sind, solche ‚freie Energie‘ aufzunehmen, diese für Zustandsänderungen zu nutzen, aber so, dass die thermodynamischen Verhältnisse abseits eines Gleichgewichtszustandes bleiben. Die aufgenommene Energie bewirkt Zustandsänderungen (= Arbeit), die wiederum den energetischen Zustand des Gesamtsystems beeinflusst, aber so, dass es seine Fähigkeit behält, weitere Arbeit zu verrichten. Ein biologisches System trägt zwar durch seinen ‚Abfall‘ zur Vermehrung von Entropie bei, aber durch die synchrone Neuaufnahme freier Energie und deren Nutzung wird diese Entropiezunahme zumindest für den Bereich des biologischen Systems wieder ausgeglichen (zu dieser Thematik sehr gut das Kap.7 von Lunine).

12. Das Auftreten von immer komplexeren biologischen Systemen stellt aus physikalischer Sicht extrem schwierige Fragen. Selbst schon die Anfänge biologischer Systeme im Rahmen der sogenannten chemischen Evolution sind bis heute in keiner Weise erschöpfend geklärt. Man kann dies als weiteren Hinweis darauf deuten, dass die heutigen physikalischen Theorieansätze möglicherweise entweder zu einfach sind (obwohl manche eher umständlich wirken), oder aber zu wenig Faktoren ernsthaft berücksichtigen (was gestützt wird durch die geringe Neigung, die schon heute vorhandenen Teiltheorien ernsthaft zu integrieren).

13. ANMERKUNG: Im Buch ‚THE ROAD TO REALITY‘ von Roger Penrose (2004) (veröffentlicht durch Random House, London) finden sich zu diesem Thema viele ausführliche Stellungnahmen. Unter anderem in den Kapiteln 27 und Kap.30 hebt er deutlich hervor, dass der gegenwärtige Zustand der physikalischen Theorien bzgl. Gravitation und Entropie unbefriedigend ist. Zugleich bietet er anregende Überlegungen, dass man die Thermodynamik, die Entropie, die Gravitation, die Einsteinsche Relativitätstheorie und die Quantentheorie zusammen bringen müsste. Ferner hat bei ihm die Entropie einen sehr allgemeinen Charakter. Mit Hilfe des 2.Hauptsatzes kann er sowohl das Auftreten des Big Bang motivieren, seine extreme Besonderheit, wie auch die Existenz und den Charakter der schwarzer Löcher. Überall spielt die Gravitation eine zentrale Rolle.

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