Leseprobe zur Rolle der Information in der Naturwissenschaft

Maxwells Dämon und der Einfluss der Intelligenz

 

Der Physiker James Clerk Maxwell versetzte Ende des 19ten Jahrhunderts die naturwissenschaftliche Gemeinde mit der Diskussion eines ungewöhnlichen Gedankenexperimentes in Aufruhr. Hierin stellte er einen der Grundpfeiler der Physik, den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik, theoretisch in Frage.

Eine leicht verständliche Formulierung dieses Lehrsatzes lautet: Es gibt keine Zustandsänderung, deren einziges Ergebnis die Übertragung von Wärme von einem Körper niederer auf einen Körper höherer Temperatur ist.

Also noch einfacher ausgedrückt: Wärmeenergie kann niemals ohne Energieaufwand von einem kälteren auf ein wärmeres Objekt fließen. Nur der umgekehrte Weg ist möglich, so wie wir es auch jederzeit in der realen Welt beobachten können.

Das Gedankenexperiment sieht folgendermaßen aus:

Maxwell stellte sich einen geschlossenen Behälter, sagen wir aus Glas, vor. Der Behälter enthält Luft der gleichen Temperatur und hat in seiner Mitte eine Trennwand. In der Mitte der Trennwand sitzt eine kleine Klappe, mit der man die Verbindung zwischen beiden Kammern öffnen kann. Maxwell stellte sich nun ein Wesen vor, das die Luftmoleküle in diesem Glaskasten wie die Kugeln in der Lottotrommel sehen kann. Seine Kollegen nannten dieses Wesen später in Anlehnung an den Laplaceschen Dämon nach seinem Erfinder „Maxwells Dämon“.

Der Dämon beobachtet nun die Moleküle in den Kammern. Immer wenn ein Molekül mit einer größeren Geschwindigkeit sich in der einen, sagen wir der linken Kammer der Klappe nähert, öffnet der Dämon kurz die Klappe und lässt es in die rechte Kammer überströmen. Danach wird die Klappe für die anderen Moleküle wieder geschlossen. Das gleiche führt er auch für die langsameren Moleküle durch, die er jedoch nur von der rechten Kammer in die linke überströmen lässt. Dadurch sammeln sich mit der Zeit die langsamen Moleküle in der linken Kammer und die schnellen in der rechten.

Schnellere Moleküle bedeutet in der Wirklichkeit eine höhere Wärme. Die linke Kammer kühlt sich also bei diesem Experiment ab, während die rechte Kammer sich aufwärmt. Wenn man sich nun vorstellt, dass für das Öffnen und Schließen der Klappe Idealfall keine oder nur geringe Energie benötigt wird, so könnte man nun mit der Energiedifferenz der beiden Kammern eine Wärmekraftmaschine, z.B. einen Stirlingmotor betreiben. Maxwell hätte so ein Perpetuum Mobile der zweiten Art erfunden. Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik postuliert jedoch die Unmöglichkeit eine solchen Maschine.

Maxwell ging sogar noch einen Schritt weiter und konstatierte, dass wenn die Versuchsanordnung nur ausreichen klein wäre und die Anzahl der Moleküle stark begrenzt, ein Loch ohne Klappe ausreichen würde, damit sich, rein statistisch gesehen und ohne das Zutun des Dämons, Temperaturunterschiede zwischen den beiden Kammern einstellen müssten.

Das Dilemma, das er den Naturwissenschaftlern hiermit bereitet hatte, war Folgendes: Einer der zentralen Begriffe der Physik und speziell der Thermodynamik ist Entropie.   Entropie ist ein Maß für den Ordnungsgrad innerhalb eines Systems. Sie lässt sich nicht so direkt messen wie andere physikalische Größen wie Temperatur, Druck oder Ladung aber ihre Veränderung lässt sich messen, wenn ein System seine Energiebilanz verändert, indem es Energien von einer Form in eine andere umwandelt oder indem es Arbeit verrichtet. Wichtig hierbei ist, dass diese Veränderung der Entropie im besten Falle gleich Null ist, wenn die physikalische Veränderung des Systems reversibel, also unkehrbar ist. Normalerweise treten jedoch bei nahezu allen Prozessen Reibungsverluste auf, sodass die Entropie normalerweise immer positiv ist. Positiv bedeutet in diesem Zusammenhang, dass der Ordnungsgrad abnimmt oder besser gesagt die Unordnung zunimmt. Entropie wird deshalb in populärwissenschaftlichen Büchern auch gern direkt mit Unordnung assoziiert.

Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik kann nun auch so formuliert werden, dass die Entropie generell positiv ist. Damit strebt das gesamte Universum als System gesehen unaufhaltsam einem ungeordneten Zustand zu, der auch als thermisches Gleichgewicht bezeichnet wird.  

Nun ist es aber auf den ersten Blick Maxwells Dämon zu verdanken, dass sich offensichtlich dieser Prozess doch umkehren lässt und zwar mittels einer geistigen Leistung des Dämons. Dieser erhöht die Ordnung, indem er die Luftmoleküle in der Versuchsanordnung sortiert. Wäre es da nicht doch möglich eine technische Konstruktion zu schaffen die die Entropie in die umgekehrte Richtung zwingt?

Erst Leo Szilard, der eigentlich eher wegen seiner maßgeblichen Beteiligung am Bau der amerikanischen Atombombe bekannt wurde, konnte das Rätsel lösen. Szilard vereinfachte die Versuchsanordnung aus Maxwells Gedankenexperiment so weit, dass das gesamte System nur noch ein einziges Molekül enthält. Die intellektuelle Leistung des Dämons besteht dann nur noch darin die binäre Information zu gewinnen und im Gedächtnis zu speichern, ob sich das Molekül in der linken Hälfte der Anordnung befindet oder nicht, also ja oder nein, 1 oder 0. Damit ließ sich nun die gesamte Interaktion des Dämons auf eine einzige Messung bzw. Beobachtung reduzieren.

Wenn der zweite Hauptsatz der Thermodynamik, wie durch Beobachtungen experimentell bestätigt, seine Gültigkeit   behalten soll, so folgerte Szilard, so musste die Entropieverringerung mittels Erhöhung der Ordnung durch Entropieerhöhung des Gesamtsystem „Versuchsanordnung plus Dämon“ wieder ausgeglichen werden. Szilard gelang es, den Betrag dieser Entropieveränderung, den er mit S bezeichnete, physikalisch als S=k * ln 2 zu berechnen wobei k die physikalische Bolzmannkonstante ist. Damit war grundsätzlich eine Brücke zwischen Information und Energie geschlagen. Genauso wie Einstein den Zusammenhang zwischen Materie und Energie durch seine berühmte Formel E=m c hoch 2 beschreiben konnte, so war es nun möglich den Zusammenhang zwischen Information und Energie zu beschreiben durch die Formel

E= nkT ln2

Hierbei ist n die Anzahl von Bits, die die Information ausmachen, k die Bolzmannkonstante, T die Temperatur und E die Mindestenergie, die benötigt wird, um diese Information zu verarbeiten.

Information hat damit endgültig als berechenbare Größe Einzug in die mechanistische physikalisch-chemische Welt der Naturwissenschaften gehalten und kann nicht mehr als geisteswissenschaftlicher Begriff oder als populärwissenschaftlicher Begriff, ohne messbare Dimension, von der Diskussion bei der Entwicklung der Welt und der lebenden Organismen ausgeschlossen werden.

 

 

 

Information und Geist als Akteure der Evolution

 

Neben Energie und Materie tritt nun auch die Information als gleichwertige Größe auf die Bühne. So wie Energie und Materie miteinander korrespondieren so gilt das gleiche, wie bereits in einem früheren Kapitel angesprochen, für Information und den Geist. Der Geist verarbeitet Information, und er schafft neue Information. Die Fragen die dann noch offen bleiben sind Folgende.

Wo kommt die Information her, die an der Entwicklung der Welt und speziell eines lebenden Organismus beteiligt ist?

Existierte die Information von Anfang an?

Kann Information durch einen evolutionären Prozess geschaffen werden?

Inwieweit ist Information als Resultat einer geistigen Leistung an der Entwicklung der Welt beteiligt?

Ist es berechtigt, dass eine dieser drei möglichen Quellen für sich die Exklusivrechte bei der Beteiligung zur Entwicklung und dem Aufbau lebender Organismen beanspruchen darf?

 

Wer auf diese Fragen antworten will, wird sehr schnell feststellen, dass zu diesen, vor einem naturwissenschaftlichen Hintergrund formulierten Fragen Antworten existieren, die auf Hypothesen basieren, die keinesfalls mit der offiziellen Lehrmeinung konform gehen.

 

 

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