Bericht von Isabella Pridat-Zapp

Die Wissenschaft ist heute für unser Leben wichtiger denn je. Sie beeinflußt unsere künftige Gesundheit und unseren Wohlstand ganz wesentlich. Sie befähigt uns, sehr viele aktuelle Herausforderungen zu meistern, auch weltweit: wie Pandemie, Klimawandel, Luft- und Umweltverschmutzung.

Alltag

Zu der Überlegung, was wir für unsere Gesellschaft und unsere Institutionen aus der wissenschaftlichen Methodik und dem wissenschaftlichen Handwerkszeug lernen können, kann von der Definition des Nobel­preisträgers, Richard Feynman (u.a. Quantenelek­trodynamik) ausgegangen werden. Dieser betont, dass natürlich der wissenschaftliche Fortschritt der offensichtliche Nutzen, ja, die Basis unserer heutigen Gesellschaft ist. Dennoch sei die wertvollste Fähigkeit, die wir alle aus der Wissenschaftswelt übernehmen können, die Fähigkeit des Infragestellens und des ­Umdenkens.

In der Wissenschaft geht man zunächst davon aus, dass etwas unbekannt ist und daher erforscht werden muss. Hierbei entwickeln wir Meinungen und Annahmen zu unserer Umwelt. Grundsätzlich muss jedoch gelten, so Feynman, dass Annahmen, die sich nicht mit natürlichen Phänomenen, mit der Natur, vereinbaren lassen schlicht falsch sind.

Irrtümer anerkennen

Dies einzusehen und die Richtigstellung gern anzunehmen, ist ein unglaublich wichtiger Erkenntnis-Schritt, den wir aus der Wissenschaftswelt in unsere Institutionen und unsere Gesellschaft übernehmen können. Erst dieser Schritt ermöglicht es, die irrtümliche Annahme hinter sich zu lassen und neue Lösungen in Angriff zu nehmen.

Selbst die Demokratie basiert hierauf. Da wir nicht genau wissen, wie man ein Land am besten regiert, nehmen wir alle 4 bis 5 Jahre einen Wechsel vor.

Seine Meinung zu ändern, ist eine grundlegende und positive Fähigkeit. „Zweifel sollte nicht gefürchtet, sondern willkommen geheißen werden“, sagte ­Feynman. Das Infragestellen und zu erkunden, was wir nicht wissen, ist nicht nur die Grundlage der Wissenschaft und die Grundlage jeder Forschung, sondern auch eine äußerst wichtige Methode um in der Welt ­zurecht zu kommen – für unseren Alltag.

Von der Wissenschaft zur Technologie

Nun zum Zusammenhang zwischen wissenschaftlicher Entdeckung und Technologie. Oft geht das eine aus dem anderen hervor. Künstliche Intelligenz und Quanten Computing sind hierfür gute Beispiele. Deren Ursprung geht auf Entdeckungen in der Neurowissenschaft und der Quantenphysik hervor, die vor ungefähr 100 Jahren gemacht wurden. Die Vielschichtigkeit des Verhältnisses zwischen der physischen Welt und der Informationstheorie ist sehr faszinierend.

Schwarze Löcher und Informationen

Die Frage der Beziehung zwischen Physik und Information wird zur Zeit in der modernen theoretischen Physik lebhaft diskutiert. Die wissenschaftliche Untersuchung schwarzer Löcher ist dabei wegbereitend. Die Abbildung zeigt, wie ein schwarzes Loch nach unserem heutigen Wissensstand aussehen könnte.

Der Regisseur Chistopher Nolan ließ diese Darstellung eines schwarzen Lochs für seinen Film Interstellar generieren mit der Prämisse, dass Einsteins Gleichungen der allgemeinen Relativitätstheorie durch den Code der Grafiksoftware abgebildet werden sollten. Der runde helle Bereich heißt Akkretionsscheibe und ist aus der Informations-Perspektive nicht so interessant. Das helle Material bewegt sich spiralförmig zum schwarzen Loch und wird an dessen Rändern verwirbelt.

Interessiert sind wir heute vor allem an dem dunklen zentralen Bereich, denn innerhalb der letzten Dekaden erhob sich die sehr weitreichende Frage, wie es sich wohl auf das schwarze Loch auswirkt, wenn man ein Informations-bit in den Ereignishorizont hineinwirft.

Es zeigt sich, dass sich dadurch die Fläche des Ereignishorizonts, dieser gedachten Grenze im All, um eine Einheit der Planck-Länge zum Quadrat vergrößert. Diese Maßeinheit ist die grundlegende kleinste Längeneinheit im Universum, die wir in der Grundlagenphysik verwenden.

Es gibt deutliche Hinweise darauf, dass es einen Zusammenhang zwischen Information und dem Aufbau von Raum und Zeit gibt. So vermuten Wissenschaftler inzwischen, dass Raum und Zeit keine elementaren Größen sind, sondern sich aus einer zugrundliegenden weitreichenden Theorie ergeben, die eher einer Informationstheorie gleicht.

Die aktuelle Computingindustrie

Aus technologischer Perspektive kann man dieses wissenschaftliche Konstrukt ebenfalls betrachten. Ein Aspekt davon ist, dass die moderne Informationstechnologie und Computingindustrie auf einem aktuell gültigen theoretischen Verständnis basieren.

Dieses geht auf führende Denker, wie Claude ­Shannon zurück, die Mathematik und Information miteinander verknüpft haben und uns beigebracht haben, über diese Vorstellung von 0 und 1, diese Binärziffern, abstrakt nachzudenken. Er forderte uns auf, den physischen Aufbau unserer Computer von der abstrakten, theoretischen Vorstellung der Nullen und Einsen zu trennen.

Tatsächlich beruhte die Entwicklung der letzten 60 bis 70 Jahre auf dieser Betrachtungsweise. So haben wir Kommunikationsnetzwerke aufgebaut, die selbstständig Fehler korrigieren und so die modernen Computer entwickelt.

Jetzt ergibt sich jedoch, dass diese Trennung von Information und dem Physischen nicht ganz zutreffend war und nun durch eine Reihe von Physikern und Wissenschaftlern hinterfragt wird. Hierbei hat sich etwas Interessantes ergeben.

Betrachtet man die Fragestellung aus der Perspektive der Quantenphysik, stellt sich heraus, dass die grundlegenden Bausteine der Information nicht die Nullen und Einsen unseres digitalen Universums sind, sondern vielmehr etwas wie die Qubits, die Quantenbits. So tragen wir Ideen aus der Vorstellungswelt der Quantenphysik, wie Superposition, Verschränkung und ­Interferenz in die Informationsverarbeitung, um diese zu verändern.

Die Natur und Quantencomputing

Auch für jemanden, der sich nicht seit Jahren mit Quantenphysik beschäftigt, ist es wichtig auf dieser Ebene ein Verständnis für die Funktionsweise der Natur zu entwickeln und für deren technologisches Spiegelbild, die Quantencomputer.

Offenbar scheint die Natur im Innersten Quanten­-Gesetzen zu entsprechen. Die meisten Physiker sind sich heute einig, dass die Qantentheorie die tiefgründigste Theorie ist. Tatsächlich wird damit gerechnet, dass die Gravitationskraft, Einsteins allgemeine Relativitätstheorie – diese über 100 Jahre alte sogenannte klassische Theorie – letztendlich von einer Ausprägung der Quantentheorie ersetzt werden wird. Raum und Zeit weisen eine Art „Pixelung“ auf, so dass sich für uns etwas herauskristallisiert, das wir als Quantentheorie der Gravitation bezeichnen.

In ihren Grundzügen ist die Quantentheorie gar nicht so kompliziert. Es gibt 2 wichtige Eigenschaften: In der Natur erkennen wir diese grundlegende Tendenz zur Wahrscheinlichkeit. Das wird beim Quantencomputing zum Problem, da man natürlich nicht damit zufrieden ist, in 65% der Fälle die richtige Antwort zu erhalten. Aber so funktioniert nun einmal die Natur. Dieses Problem haben die Forscher und Entwickler des Quantencomputers gelöst.

Die zweite wichtige Eigenschaft ist die Verschränkung. Was ist das? Im klassischen Computing kann man sich bits vorstellen, eine 1 oder eine 0 und eine 0 oder eine 1. In der Quantenmechanik arbeiten wir mit der Vorstellung, dass das System sich in einem Zustand befindet, der eine vollständige Beschreibung des Systems beinhaltet, mit beispielsweise Eins Null plus Null Eins oder aber Eins Null minus Null Eins. Das nennt man einen maximal verschränkten Zustand. Hier treffen wir auf die sehr seltsame Eigenschaft, dass man alles über die Zustände wissen kann, alles erdenkliche über das System wissen kann, aber dabei gar nichts über die einzelnen Bestandteile des Systems weiss.

Das widerspricht völlig unserer Erfahrung aus dem Alltagsleben und auch der klassischen Physik, wo mit dem Wissen von dem Gesamten auch das Wissen von den Einzelteilen einhergeht.

Wir erkennen einen profunden Zusammenhang zwischen Forschung zum Quanten Computing und Forschung zu schwarzen Löchern sowie Forschung zur eigentlichen Natur von Zeit und Raum. Der grundlegende Unterschied zwischen dem klassischen Computing und dem Quanten Computing ist, dass letztere eindeutig natürliche Systeme sind, während das klassische Computing die Natur nur simuliert. Man könnte sogar sagen, dass wir die elementare Funktionsweise der Natur erforschen, wenn wir mit Quanten Computern arbeiten.

Als wichtige Erkenntnis ergibt sich hieraus, dass ein perfekt geregeltes System aus „unordentlichen“ Komponenten bestehen kann. Und das ist im Prinzip das, was wir beim Quanten Computing erleben. Die Verwandschaft zwischen Natur und Quanten Computing erinnert auch an ein anderes Zitat von Richard Feynman: „Die Natur entspricht nicht den klassischen Vorstellungen, verdammt noch mal. Und wenn man die Natur abbilden will, dann sollte man das tunlichst quantenmechanisch tun. Und das ist ein verflixt wunderbares Problem, denn es scheint gar nicht so einfach zu sein.“

Quantencomputer heute

Das Fantastische ist, dass wir nach vielen Jahrzehnten des theoretischen und technologischen Fortschritts diese Maschinen jetzt endlich bauen. IBM hat seit 2016 über 30 Quanten Computer gebaut und IBM macht diese über die Cloud allgemein zugänglich, so dass ­inzwischen hunderttausende Wissenschaftler, Entwickler und andere Enthusiasten lernen, mit dieser neuen Methode der Quanten Information umzugehen und Quanten Physik für ihre Berechnungen zu nutzen.

Aus dem Zusammenspiel von High Performance Computing, künstlicher Intelligenz und Quanten Computing ergibt sich heute die Möglichkeit einer extremen Beschleunigung der wissenschaftlichen Forschung. ­Allerdings ist beschleunigter Wandel nicht ganz unproblematisch.

Beschleunigter Wandel

Daher sollten wir, das heißt die Gesellschaft, uns damit befassen, welche Maßnahmen wir ergreifen können, um den immer schnelleren wissenschaftlichen Fortschritt verträglicher für die Menschen zu machen. Ein Beispiel für die Beschleunigung, ihren Nutzen und ihre Auswirkungen ist die Impfstoffentwicklung in der gegenwärtigen Pandemie.

Diese hat beispielsweise der jahrzentelangen Forschung zu mRNA Impfstoffen durch beschleunigte Forschung und beschleunigte Genehmigungsverfahren zu einem Durchbruch in puncto Covid-19 verholfen. Dieser mRNA Forschungssprung birgt ein unglaubliches Potential für die Zukunft. Gleichzeitig stellt die wissenschaftlich mögliche Beschleunigung der Forschung heute große Erneuerungsansprüche an Politik und Gesellschaft.

Es gilt auch, in der Gesellschaft Vertrauen in diese nun tatsächlich mögliche Beschleunigung zu schaffen und dabei geht es letztlich um Bildung, Informationsweitergabe. Um im Beispiel zu bleiben, es ist nicht nötig allen Menschen zu vermitteln wie mRNA Impfstoffe ganz genau funktionieren, da die meisten Menschen nicht genug Zeit haben, um sich mit den Details der wissenschaftlichen Forschung zu befassen.

Wichtig ist dagegen, zu begreifen, was Wissenschaft und wissenschaftliche Forschung eigentlich ausmacht. Wie eingangs ausgeführt, ist die Wissenschaft eine Methode, um zuverlässiges Wissen über die Natur zu erlangen. Diese Erkenntnis auf breiter Ebene zu ­vermitteln, ist der vielversprechendste Ansatz.

Wissenschaft als Prozess

Es muss klar sein, dass die wissenschaftliche Perspektive unsere allerbeste Option ist, auch wenn die jeweils erreichten Erkenntnisse nicht immer der Weisheit letzter Schluß sein können. Es muss klar sein, dass die wissenschaftliche Arbeit ein Prozess ist. Es muss auch klar sein, dass keine vorgefertigten Problemlösungen „von oben/von denen da oben“ zu den Menschen kommen werden.

Vertrauen in gesicherte wissenschaftliche Erkenntnisse und deren Nutzung ist die beste Methode um zuverlässiges Wissen über die sehr komplexe natürliche Welt, die wir nicht vollständig verstehen, zu erlangen. Dieses Vertrauen ermöglicht es erst, technologische Veränderungen zu akzeptieren und sehr wichtige nützliche Technologien zu stärken.

Da sich niemand gerne „von oben“ vorschreiben läßt, was er zu glauben hat, müssen wir Wissen demokratisieren. In unserer künftigen Gesellschaft müssen die Menschen damit vertraut sein, was Wissenschaft bedeutet und wie Wissen und Technologien entstehen. Nur so ist eine informierte Debatte möglich und eine informierte Gesellschaft, die von diesem Wissen profitiert.

Es gilt wie gesagt, ein Bewusstsein dafür zu schaffen, dass die Wissenschaft ein Prozess ist und wir im Zuges des Prozesses immer wieder dazulernen. Wenn nicht verstanden wird, wie ein solcher Prozess des Erforschens abläuft – wie wir von der Fragestellung über die Lösung einzelner Probleme und die wiederholte Überprüfung unseres Wissens zu einem Resultat gelangen – dann kann das dazu führen, dass die Menschen frustriert sind und sich fragen, warum wir im Laufe der Zeit „unsere Meinung ändern“, das heißt zu neuen ­Erkenntnissen gelangen.

Es muss klar sein, dass neue Erkenntnisse ein ­wesentlicher Bestandteil des wissenschaftlichen Prozesses sind. Sobald sich neue Informationen ergeben, revidiert man sein bisheriges Verständnis und geht ­einen Schritt weiter. So ist Irren und Lernen aus der wissenschaftlichen Arbeit nicht wegzudenken. Dies der Öffentlichkeit zu vermitteln ist wohl noch viel wichtiger, als die wissenschaftlichen Details wissenschaftlicher Theorien und Technologien weiterzugeben.

Möglichkeits-Optionen nebeneinander

In der Öffentlichkeit ist auch oft nicht bekannt, wie viele Jahre die Forschung an wissenschaftlichen ­Projekten eigentlich in Anspruch nimmt. Ein weiteres Beispiel hierfür ist die Erforschung schwarzer Löcher, zu der Oppenheimer schon vor dem Krieg geforscht und publiziert hat. Von Oppenheimer stammt auch die ­Ermahnung, nicht nur Irrtümer als förderlich zu betrachten, sondern gleichzeitig auch die Fähigkeit zu pflegen, verschiedene Lösungsmöglichkeiten im Auge zu ­behalten.

Als Beispiel sollte Oppenheimer hier, aus der Quanten Mechanik, das Elektron dienen, das sich mal als kleiner beweglicher Punkt und mal mehr als wellenartiges langgezogenes Objekt präsentiert. Jedoch ist beides nicht richtig, zum Ausschluss des anderen richtig, keine vollständige Beschreibung. Vielmehr muss man sich beides gleichzeitig als hybride Vorstellung vor ­Augen halten.

Oppenheimer zog von diesem Gedankenbild eine Parallele zu unserem Leben in einer demokratischen Gesellschaft und den hierfür erforderlichen Fähigkeiten des Individuums. Auf die Impfdebatte bezogen sähe das so aus: Es gibt einerseits das Recht des Individuums zur freien Wahl sowie andererseits das Recht des Individuums zu gleichem Schutz und das Recht der Gesellschaft zur Wahrung von deren vielfältigen ­Interessen.

Diese Interessen scheinen manchmal unvereinbar, doch die Natur zeigt uns, dass man alle diese Posi­tionen gleichzeitig gedanklich vorhalten kann und sich daraus die vollständige Beschreibung der Gesellschaft ergibt.

Wissenschaftliches Denken in der Gesellschaft

Nun dazu, wie wir die Gesellschaft beim wissenschaftlichen Fortschritt mitnehmen können. Hierfür bedarf es einer konzertierten Aktion aller gesellschaftlichen Werkzeuge, wie neuer Arbeitsmodelle, neuer Forschungsmodelle, eines neuen Ansatzes für die Rolle des Bildungssektors, des öffentlichen Sektors, des ­privaten Sektors sowie der Regierung und ganz gezielter gesellschaftlicher Investitionen in Wissenschaft, Forschung und Entwicklung.

Brian Cox ist nebst seiner Professur an der University of Manchester auch Professor for Public Engagement an der Royal Society in London. Das ist die älteste wissenschaftliche Vereinigung der Welt. Wenn man dort Fellow wird, unterschreibt man in einem Buch und in diesem Buch steht schon Newton. Auch die Royal Society befasst sich mit der wichtigen Frage, wie alle diese unterschiedlichen Komponenten – private Forschung, öffentliche Forschung, Universitäten bis hin zu den verschiedenen schulischen Ebenen – ihre Kräfte abstimmen können.

Auch bei IBM schottet man sich nicht ab, sondern arbeitet mit Universitäten zusammen und das funktioniert sehr gut, vor allem in den USA. Ein weiterer Schritt ist es, diese Zusammenarbeit auf die schulische Ebene auszudehnen. Mit den Schulen erfassen wir nämlich alle Kinder und so viele Schüler wie nur möglich, um ein Verständnis für wissenschaftliches Denken und die potentielle Macht der Wissenschaft aufzubauen. Ein weiterer Effekt wäre ein Zustrom von Nachwuchstalenten in der Wissenschaft, in Universitäten und in der Industrie.

Vertrautheit mit Forschung und Technologie

Ultimativ sollte die breitere Gesellschaft in ­unsere Forschung einbezogen werden, daraus ergäbe sich mehr Zuspruch für die Forschung, mehr Menschen würden sich der Forschung widmen, und somit würden wir noch bessere Ergebnisse erzielen.

Folglich nähmen wir Abstand vom Szenario ­einer wissenschaftlichen Elite, die die Grenzen von ­Wissenschaft und Technologie im Alleingang ausbauen ­möchte. Wir brauchen beides, die wissenschaftliche Elite und das oben beschriebene Umfeld, eine Erweiterung des Potentials sowie die Möglichkeit sich zu beteiligen.

Die besprochenen Überlegungen tangieren die Bedeutung der wissenschaftlichen Zusammenarbeit, die Nutzung neuer Technologien wie Hybrid Cloud, KI und Quanten Computing sowie das Verständnis für wissenschaftliches Denken auf breiter Ebene. Auf dieser Basis können wir uns den Unsicherheiten und den riesigen Herausforderungen unserer Gesellschaft auf positive Weise stellen.