Da war doch was vor dem Urknall.

aus scinexx                                                               Übergang von einem Universum ins nächste?

Big Bounce statt Big Bang
War der Urknall wirklich der Anfang von allem?

Der Urknall ist nach gängiger Lehrmeinung der Anfang von allem – erst durch ihn entstand das Universum. Doch war vor dem „Big Bang“ wirklich nichts? Inzwischen werden daran Zweifel laut, denn einigen neueren Modellen zufolge könnte der Urknall auch nur ein Übergang gewesen sein. Gab es einen „Big Bounce“ statt eines „Big Bang“?

Die Idee eines zyklischen Universums mit wechselnd Phasen des sich Ausdehnens und wieder Zusammenziehens ist nicht neu. Lange aber galten solche Modelle als veraltet und nicht im Einklang mit modernen Erkenntnissen der Physik und Kosmologie. Das aber hat sich nun geändert. Denn immer mehr zeigt sich, dass auch der lange etablierte Urknall einige Fragen aufwirft, die man bisher nicht beantworten kann. Deshalb erlebt nun die Vorstellung eines „Big Bounce“ eine Renaissance – eines explosiven Übergangs von einem Universum zum nächsten.

Warum der Big Bang Fragen aufwirft 
Das Urknall-Problem

Wie begann unser Universum? Und was war davor? So fundamental diese Fragen auch sind – bisher gibt es darauf keine eindeutige Antwort. Klar scheint nur: Der Kosmos, so wie wir ihn kennen, entstand vor rund 13,8 Milliarden Jahren.
Gängiger Theorie nach war der Urknall der Beginn von allem - Raum, Zeit, Strahlung und Materie

Was man über den Urknall weiß – oder annimmt

Gängiger Theorie zufolge waren im Urknall alle Materie und Strahlung des Universums auf einen winzigen Punkt konzentriert – eine Singularität. Dieser „Urkeim“ dehnte sich dann explosionsartig aus und schuf die Raumzeit, die Grundkräfte der Physik und alle Materie. Diese erste große Ausdehnung muss das Ur-Universum in Sekundenbruchteilen um den Faktor 10 hoch 30 bis 10 hoch 100 vergrößert haben. Wie genau dies geschah und ob es diese kosmische Inflation tatsächlich gab, ist allerdings bis heute unbewiesen und strittig.

Weitgehend einig sind sich Forscher dagegen darüber, was als nächstes geschah: Aus dem ultraheißen und dichten Quark-Gluonen-Plasma entstanden die ersten Atombausteine und dann die ersten Atome. Als Folge trennte sich rund 380.00 Jahre nach dem Urknall die Strahlung von Materie, das anfangs trübe Universum wurde durchsichtig und die kosmische Hintergrundstrahlung wurde frei. Noch später entstanden die ersten Sterne – die Elementfabriken des Kosmos. 

Die offenen Fragen

Soweit, so etabliert, scheint es. Doch ausgerechnet am Uranfang des Kosmos scheiden sich die Geister. Denn das gängige Bild vom Urknall lässt einige entscheidende Fragen offen. Eine davon ist die nach dem Wie und Warum des Ganzen: Was hat dazu geführt, dass vor 13,8 Milliarden Jahren plötzlich aus dem Nichts etwas entstand? Gab es einen Auslöser oder war es bloßer Zufall? Und wie kann aus Nichts Materie entstehen?

Der britische Physiker Stephen Hawking versuchte dies so zu erklären: „Weil die Zeit selbst erst mit dem Urknall begann, ist dies ein Ereignis, das nicht durch etwas oder jemanden verursacht worden sein kann. Die Gesetze der Natur selbst sagen uns, dass das Universum entstanden sein kann, ohne dass dazu Energie oder eine Ursache nötig war.“ Doch andere Astrophysiker haben genau daran ihre Zweifel.

Die kosmische Hintergrundstrahlung ist überall erstaunlich gleich - selbst bei Gegenden, die an entgegengesetzten Enden unseres Sichthorizonts liegen.

Ebenfalls strittig ist die Frage, warum Materie und Strahlung in unserem Universum so gleichmäßig verteilt sind. Egal in welche Richtung oder in welche Entfernung wir schauen – überall gibt es in großem Maßstab ähnliche Dichten und Verteilungen von Galaxien, Gasnebeln und Strahlung. Die gängige Theorie behilft sich hier mit der Annahme der kosmischen Inflation. Gleichzeitig ist jedoch umstritten, ob dadurch nicht auch Unmengen von Paralleluniversen entstehen müssten – Stephen Hawking bezweifelte dies, andere Forscher halten dies aber für wahrscheinlich. 

Alternativen gesucht

Damit scheint klar: So etabliert der Urknall uns auch scheint, in Wirklichkeit ist er bis heute kaum verstanden und stark umstritten. Insofern ist es kaum verwunderlich, dass einige Forscher nach alternativen Erklärungsmöglichkeiten für den Uranfang unseres Kosmos suchen. Ihre große Frage dabei: Was wäre, wenn der Urknall gar nicht der Anfang von Allem war? Wenn es vor unserem Universum schon ein anderes, früheres gab? Der Urknall wäre dann nur eine Art explosiver Übergang von einem Kosmos zum nächsten – ein Big Bounce statt eines Big Bang.
Was aber bedeutet dies konkret?

Was für und gegen ein zyklisches Universum spricht
Übergang statt Uranfang?

Die Idee eines zyklischen Universums ist nicht neu: Schon die frühen indischen Gelehrten beschreiben in den Veden das Universum als eine ewige, sich wiederholende Abfolge von Entstehen, Zerstören und Wiedererstehen. Aber auch die Stoiker der griechischen Antike teilten diese zyklische Weltsicht. Ihrer Vorstellung nach ging der Kosmos als gigantische Kugel durch Phasen von Expansion und Ausdünnung, gefolgt von Phasen der Verdichtung und Kontraktion.

Die Maya glaubten ebenfalls an eine ewige Wiederkehr. Sie rechneten sogar mit wahrhaft astronomischen Zahlen, um die Dauer der verschiedenen Zyklen von Sonne, Mond, Planeten und Sternen zu beschreiben. „Die archetypische Auffassung eines zyklischen Universums hat Menschen die gesamte Geschichte hindurch fasziniert – sie findet sich in mythischen und wissenschaftlichen Kosmologien bis in die Gegenwart hinein“, sagt der dänische Wissenschaftshistoriker Helge Kragh.


Auch Albert Einstein beschäftigte sich mit der idee eines zyklischen Universums.

Einstein und die Folgen

Auch Albert Einstein hat sich zeitweilig mit der Möglichkeit eines oszillierenden, zyklischen Universums beschäftigt – und hielt diese Idee für durchaus plausibel. Aus Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie leitete der russische Mathematiker Alexander Friedmann in den 1920er Jahren ab, dass sich die Expansion des Universums auch umkehren kann. Er schrieb: „Fälle sind auch möglich, in denen sich der Radius der Raumkrümmung periodisch ändert. Das Universum würde zu einem Punkt kontrahieren, dann seinen Radius wieder bis zu einem bestimmten Punkt vergrößern, um sich dann wieder zu verkleinern und so weiter.“

Das Universum würde demnach ständige Zyklen aus Ausdehnung und Kontraktion durchleben. Der Kosmologe Richard Tolman griff diese Überlegungen in den 1930er Jahren auf und veröffentlichte umfangreiche mathematische Berechnungen, die ergründeten, in welcher Form ein zyklisches Universum möglich wäre. Seine Veröffentlichungen lösten einen bis heute anhaltenden Boom neuer zyklischer Modelle in der Kosmologie aus. 

Kein Nichts, kein Ursachenproblem

Die Vorteile dieser Idee scheinen auf der Hand zu liegen: Wenn das Universum ewige Zyklen durchlebt, dann räumt dies das lästige Problem der Anfangssingularität aus dem Weg. Die Frage, wie alle Materie aus dem Nichts entstehen kann, wird bei solchen Modellen hinfällig – denn sie war ja schon immer in irgendeiner Form da. Es gab nie ein absolutes Nichts. „Das oszillierende Modell umgeht praktischerweise das Problem der Genesis und erscheint daher aus philosophischer Sicht attraktiv“, konstatiert der US-Physiker und Nobelpreisträger Steven Weinberg.

Der Big Bounce liefert auch eine Lösung für die ungewöhnliche Einförmigkeit des Kosmos: Die Phase der Kontraktion sorgt dafür, dass alles sozusagen homogenisiert wird. Wenn dann die erneute Ausdehnung erfolgt, bleibt diese Gleichheit erhalten. Und auch die bisher ungeklärte Ursache für den Urknall lässt sich in einem zyklischen Universum elegant beantworten: Auslöser für jeden neuen Anfang ist schlicht das Ende des vorhergehenden Zyklus. 

Die Hürde der Entropie

Allerdings gibt es bei den meisten zyklischen Modellen einen Haken: die Entropie. Nach dem Zweiten Hauptsatz der Thermodynamik nimmt in einem geschlossenen System der Grad der Unordnung immer weiter zu – und das gilt auch für den Kosmos. Selbst wenn dieser immer neue Zyklen von maximaler Kontraktion und explosiver Ausdehnung durchlebt, müsste daher die Entropie immer weiter zunehmen.

Warum, erklärt der Physiker Brian Greene so: „Mehr Entropie bedeutet, dass mehr ungeordnete Partikel zusammengequetscht werden, wenn das Universum kontrahiert. Das aber löst beim folgenden Neuanfang ein stärkeres Auseinanderfliegen aus.“ Als Konsequenz würde jeder folgende Zyklus ein wenig länger dauern als sein Vorgänger. Gleichzeitig sorgt die Entropie dafür, dass jedes Mal ein wenig mehr Strahlung im Verhältnis zur Materie entsteht. Am Ende einer langen Reihe von Zyklen stünde dann der Wärmetod – ein Zustand maximaler Entropie, indem keine geordneten Strukturen mehr existieren, keine Sterne, Galaxien oder Atome.

Betrachtet man dagegen die Vergangenheit, dann müssten die Zyklen immer kürzer werden, je weiter man zurückblickt. Wenn man nur weit genug zurückgeht, muss es demnach trotzdem irgendwann einen Zeitpunkt geben, an dem alles in einem Punkt konzentriert war – eben den Uranfang, den diese Modelle eigentlich ausschließen. Diese Erkenntnis macht viele frühe zyklische Kosmologien hinfällig.

Doch inzwischen haben Physiker einige Modelle entwickelt, die die störende Entropie loswerden – und damit einen „Big Bounce“ wieder wahrscheinlicher machen…

Quantenschleifen und ein "Urprall"
Der umgestülpte Ballon

In den letzten Jahren und Jahrzehnten ist eine regelrechte Renaissance der zyklischen Kosmologien angebrochen. In ihnen bildet der Urknall den Übergang zwischen zwei Universen. Je nach Modell gibt es dabei mal eine Singularität, mal geht das Ganze ohne diesen Ausnahmezustand der Physik vonstatten.

Nach der Theorie der Schleifen-Quantengravitation besteht die Raumzeit aus einem Netz von Quantenschleifen.

Quantenschaum statt glatter Raumzeit

Fast schon zwangsläufig ergibt sich ein zyklisches Universum aus der Theorie der Schleifen-Quantengravitation (Loop Quantum Gravity). Nach dieser 1987 erstmals vorgestellten Theorie ist das Raumzeitgefüge nicht kontinuierlich, wie von Einsteins Relativitätstheorie angenommen, sondern in winzige, unteilbare Einheiten gegliedert – die Loops oder Schleifen. Eine Schleife hat in etwa die Ausdehnung von 10^-35 Metern, das entspricht der Planck-Länge, der in der Quantentheorie definierten kleinstmöglichen Einheit.

Ein Netzwerk aus solchen miteinander verbundenen Schleifen bildet das Grundgewebe des Universums, Teilchen bilden Knotenpunkte in diesem Netz. Dadurch ähnelt der gesamte Kosmos einem Wabern aus sich fortwährend verändernden winzigen Verknüpfungen. Wegen seiner extrem geringen Größe ist dieses Quantennetz für uns weder sichtbar noch spürbar, es spielt für unsere Alltagserfahrung keine Rolle. 

In sich selbst umgestülpt

Anders aber ist dies beim Urknall oder dem großen Übergang von einem Universum zum nächsten. Nach klassischer Urknalltheorie war im Uranfang das gesamte Universum in einem Punkt unendlicher Dichte konzentriert – einer Singularität. In der gequantelten Welt der Schleifen-Quantengravitation ist dies jedoch nicht möglich. Denn hier können alle physikalischen Werte – auch die Dichte – nur endliche Werte annehmen.

Die Quantelung sorgt aber für ein fast ebenso dramatisches Ereignis: Nach den Vorstellungen der Loop-Theoretiker kehrt sich am Punkt des Urknalls die Schwerkraft um: Statt anziehend zu wirken, ist sie plötzlich abstoßend, als hätte sich ihr Vorzeichen vertauscht. „Der Raum wird dabei praktisch in sich selbst umgestülpt. Das kann mit einem ideal kugelförmigen Luftballon veranschaulicht werden, aus dem die Luft entweicht“, erklärt der Quantenphysiker Martin Bojowald. Beim Urknall bewegen sich die Wände des Ballons aufeinander zu, bis sie sich berühren und sogar durchdringen.

 
Das Universum als sich umstülpender Luftballon?

Urprall statt Urknall

Das aber hat kosmologische Konsequenzen: Zum einen spricht das Modell nach Ansicht der Loop-Theoretiker fast schon zwangsläufig dafür, dass der Urknall nicht der Uranfang von Allem war. Denn im Gegensatz zur Relativitätstheorie produzieren die Gleichungen der Schleifen-Quantengravitation gültige mathematische Ergebnisse auch vor dem Urknall. „Die größte Überraschung war, dass es tatsächlich auf der anderen Seite, also vor dem Big Bang, ein anderes Universum gegeben haben könnte. Das hatten wir nicht erwartet“, sagt Abhay Ashtekar von der Pennsylvania State University.

Es könnte daher tatsächlich einen Übergang statt eines Urknalls gegeben haben, gewissermaßen einen „Urprall“: Ein Vorgänger-Universum fällt in sich zusammen und federt dann, abgestoßen von der antigravitativen Wirkung des submikroskopischen Netzwerks, wieder vom Quantenmaßstab in makroskopische Größen zurück. 

Kosmischer Gedächtnisverlust

Praktischer Nebeneffekt: Die dabei auftretenden Fluktuationen der Materie- und Energiedichte verwischen alle Informationen des vorhergehenden Universums. „Kurz gesagt leidet das Universum an einem tragischen Fall von Gedächtnisverlust“, sagt Bojowald. Nach diesem Big Bounce würde daher jedes neue Universum gleichsam von vorn beginnen, mit einer blank gewischten Tafel.

Das löst auch das Problem der Entropie: Nach Bojowalds und Ashtekars Vorstellungen wird auch die Entropie wieder quasi auf Null gesetzt, weil die Informationen über den Entropie-Zustand des alten Universums den Übergang nicht überstehen. Das neue Universum kann daher seine Geschichte ohne Entropie-„Altlast“ beginnen – so jedenfalls die Hypothese. Belegen lässt sich all dies aber bisher nicht.

Die aktuellen Hypothesen zum Big Bounce
Quantentunnel und negative Energien

Neue Hypothesen zu einem „Big Bounce“-Übergang des Universums haben in den letzten drei Jahren gleich zwei Forschergruppen entwickelt. Beiden gemeinsam ist, dass sie einen Übergang postulieren, bei dem das Universum zwar maximal klein ist, aber nicht zur Singularität wird.

In der Quantenwelt können Teilchen eine Aufenthaltswahrscheinlichkeit auch jenseits einer Barriere haben – durch diesen Tunneleffekt können sie die Barriere durchdringen, ohne sie überwinden zu müssen.

Durch den Übergang getunnelt
 
Die erste Hypothese stammt von Neil Turok vom Perimeter Institute in Ontario und Steffen Gielen vom Imperial College London. Sie gingen von der Prämisse aus, dass sich Materie im stark komprimierten Kosmos im Prinzip wie Strahlung verhält. Tatsächlich sprechen kosmologische Modelle dafür, dass in den ersten zehntausenden Jahren nach dem Urknall die Bedingungen so extrem waren, dass noch keine Materie kondensieren konnte – die Energie lag im Wesentlichen als Strahlung vor.

Auf gleiche Weise könnte der Kosmos auch nach der starken Kontraktion am Ende seines Zyklus zu einem solchen strahlendominierten Gebilde werden. Unter diesen Bedingungen wäre es möglich, dass das Universum quasi durch den Übergang hindurchtunnelt. „Wir haben festgestellt, dass das Universum glatt durch die Singularität hindurchgeht und an der anderen Seite herauskommt“, sagt Turok. 

Das Universum als Quantenteilchen

Dieses Tunneln ist ein in der Quantenwelt durchaus gängiges Phänomen: Weil der Zustand von Elementarteilchen von Wahrscheinlichkeiten regiert wird, kann sich ein Teilchen rein theoretisch sowohl diesseits als auch jenseits einer Wand aufhalten – ohne sie physikalisch durchdringen zu müssen. Auf ähnliche Weise könnte auch das extrem komprimierte Universum wie ein Quantenteilchen reagieren und die Barriere der Singularität passieren. „Die Unschärfe von Raum, Zeit und Materie machen es unsicher, wo sich das Universum zu einem gegebenen Zeitpunkt aufhält – das erlaubt es ihm, die Singularität zu durchtunneln“, erklärt Turok.

Im Modell funktioniert dieses Tunneln des komprimierten Universums schon recht gut – allerdings nur für eine stark vereinfachte, idealisierte Version des Kosmos, wie die Forscher einräumen. „Die Fälle, die wir lösen können, sind nur sehr einfache Universen“, berichtet Gielen im „Scientific American“. Ob das Ganze auch für komplexere Universen wie das unsrige funktioniere, müsse man erst noch testen.

 
Verhinderte ein exotisches Skalarfeld die Singularität? Exotisches Feld als Übergangshelfer?

Die zweite Hypothese geht von einem Übergang aus, der auch ohne Hilfe der Quantenphysik die Singularität umschifft. Paul Steinhardt und Anna Iljas von der Princeton University postulieren dafür die Existenz eines Skalarfelds – eines Einflusses, der verhindert, dass das kritische Stadium der Singularität eintritt. Diese exotische Form der negativen Energie soll demnach kurz vor diesem Punkt die erneute Expansion einleiten und so den kompletten Kollaps vermeiden.

„An einem Punkt während oder kurz nach dem Übergang wird dann die kinetische Energie, die in den Skalarfeldern gespeichert ist, wieder in die Strahlung und Materie umgewandelt, die wir beobachten“, erklären Steinhardt und Iljas in ihrem Fachartikel. Auf diese Weise sei ein Big Bounce möglich, ohne dass man Eigenheiten der Quantentheorie benötigt oder eine Singularität eintritt. Alleedings: Ob es ein Skalarfeld in Form einer negativen Energie gab und wie dieses bisher nicht nachgewiesene Feld zustande kommt, ist bislang unklar. 

Keine Belege nirgends

Fakt ist: So spannend dies Hypothesen sein mögen – bisher bleiben alle Modelle und Szenarien zum „Big Bounce“ und einem zyklischen Universum reine Theorie. Keines von ihnen lässt sich mit heutigen Mitteln und Methoden überprüfen oder gar belegen. Und ob dies in Zukunft jemals möglich sein wird, ist ebenfalls ungeklärt. Insofern bleibt die Frage vorerst offen, ob unser Urknall wirklich einmalig und der Anfang von allem war.

17. Mai 2019 - Nadja Podbregar


Nota. - Sachlich kommentieren kann ich das nicht, ich verstehe es ja kaum. Doch ein Meta-Kommentar drängt sich mir regelrecht auf: Quantenphysik und Relativitätstheorie zeigen, dass wir Sachen denken kön- nen, die weit jenseits unserer Vorstellung liegen. Die Vorstellung erscheint als die kindliche Vorform des erwachsenen Verstandes, dessenb Höhenflügen sie staunend von dere Erde aus nachblicken muss. 

Doch wenn der Verstand an seine Grenze gestoßen ist, muss er... bei der Vorstellung Rat suchen. Die Vor- stellung von einem oszillierenden Universum - swinging universe - ist uralt, es gab sie schon bei bei Mayas und Indern, auch bei der Zweiten Stoa, und selbst Friedrich Engels hat (in Dialektik [in] der Natur) damit kokettiert, als an eine Gekrümmten Raum noch keiner dachte. Und wenn das Glasperlenspiel der Begriffe keinen weiteren Zugang zur Wirklich- keit öffnet, kehren die Forscher zur guten alten Vorstellung zurück, die dem Denken den Weg erhellen muss.

Doch welche Vorstellung sich für künftige Forschung als fruchtbar erweisen sollte - von der Idee eines durchgängig herrschenden Naturgesetzes verabschieden sich anscheinend alle.
JE

 

Der Springaffe und die Anthropologie der Wahrnehmung.

Titi-Springaffe
aus derStandard.at, 17. Mai 2019

Was Affen meinen, wenn sie kreischen 
Forscher analysierten die Laute von Titi-Affen und Grünmeerkatzen und stießen dabei auf äußerst differenzierte Bedeutungen

Neuenburg – Die Schreie von Affen sind keine einfachen Lautäußerungen. Sie vermitteln vielmehr differenzierte Informationen auf eine Weise, die sich teils von menschlichen Spracheigenheiten unterscheidet, berichten Wissenschafter der Universität Neuenburg.

Für ihre Studie untersuchten die Forscher die Lautäußerungen von zwei Affenarten in Brasilien und Südafrika und beschrieben die Ergebnisse in zwei Studien in den Fachjournalen "Science Advances" und "Plos One". Demnach sind die Schreie der Tiere weitaus differenzierter als oft angenommen.

Raubtier-Warnungen

In Brasilien zeichnete das Team um Melissa Berthet die Laute von Titi-Affen (Springaffen) auf, nachdem die Wissenschafter ein ausgestopftes Raubtier – einen Raubvogel oder eine Raubkatze – am Boden oder im Blätterdach in unmittelbarer Nähe der Gruppe platziert hatten. Später spielten sie der Gruppe die aufgezeichneten Laute wieder vor, um die Reaktionen der Affen zu beobachten. Demnach konnten die Tiere durch die Laute Informationen über den Typ des Raubtiers und seinen Standort vermitteln, schienen dabei jedoch keine Kategorisierung zu verwenden, wie es beim Mensch der Fall ist.

• Affensprachen.

"Wir neigen dazu, die Ereignisse, die uns umgeben, in Kategorien einzuteilen, auch wenn die Unterscheidung zwischen diesen Kategorien tatsächlich unklar ist", sagte Berthet. "Zum Beispiel bilden die Farben eines Regenbogens ein Kontinuum, aber Menschen bevorzugen es, über sieben Farbbänder zu sprechen", so die Forscherin.

Probabilistische Informationsübermittlung

In ähnlicher Weise würden Menschen in der den Affen präsentierten Situation dazu neigen, vier Kategorien zu unterscheiden: bodenlebendes Raubtier am Boden, Flug-Raubtier am Boden, bodenlebendes Raubtier im Blätterdach, Flug-Raubtier im Blätterdach.

Nicht so bei den Affen: Sie stellen diese vier Situationen als Kontinuum dar, und zwar durch Lautfolgen aus Kombinationen von Schreipaaren, die aus Schrei A und/oder Schrei B bestehen können. Je weniger Kombinationen von zwei B-Schreien in der Lautfolge vorhanden sind, desto mehr schauen die zuhörenden Affen in die Luft, um dort nach einem Raubtier zu suchen. Aber sobald die Anzahl der Kombination mit zwei B-Schreien zunimmt, schauen die Affen eher zum Boden. Diese als probabilistisch bezeichnete Informationsübermittlung wurde bisher bei keiner anderen Tierart beschrieben.

Grünmeerkatzen-Keilereien

In der zweiten Studie befasste sich ein Team um Stephanie Mercier mit Konflikten in wildlebenden Gruppen der südlichen Grünmeerkatzen in Südafrika. Ihren Ergebnissen zufolge verraten die Lautäußerungen der Beteiligten einer Schlägerei ihre Identität sowie ob es sich um Opfer oder Angreifer handelt. "Die Schreie der Opfer sind länger und häufiger als die der Angreifer", sagte Mercier. Dies stimme mit theoretischen Studien überein, die vorhersagen, dass Laute in feindlichen und aggressiven Situationen mit geringerer Häufigkeit abgegeben werden. In Angstsituationen nimmt die Frequenz zu und der Laut wird tonaler.

Diese Variationen erlauben es den Affen, die die Schreie abgeben, zum einen den Angreifer abzuwehren, zum anderen Artgenossen zur Hilfe zu rufen, vor allem während intensiver Streitigkeiten. Obwohl bei vielen Arten die Kampfschreie dem menschlichen Ohr sehr ähnlich erscheinen, sind die Konfliktschreie der südlichen Grünmeerkatzen laut der Studie sehr differenziert, je nach Rolle im Konflikt und nach der Intensität des Streits. (APA, red,)

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Abstracts

• Science Advances: "Titi monkeys combine alarm calls to create probabilistic meaning"
• Plos One: "Correlates of social role and conflict severity in wild vervet monkey agonistic screams" 

Nota. - Die Auffassung der Erscheinungen der Welt als eindeutig zu Unterscheidende nennen wir die digi- tale, die Auffassung der Erscheinungen als gleitendes Kontinuum nennen wir eine analoge. Um die digitale Wahrnehmung so wiederzugeben, dass ein Anderer sie identifizieren kann, braucht man ein unmissverständ- liches Zeichen, ein digit, am besten ein - Wort. Eine analoge Wiedergabe bedarf eines kontinuierlichen Sig- nalsystems. 

Was war eher da - die digitale Wahrnehmungsweise des Menschen oder seine sprachliche Mitteilungsweise? Ich wage mal eine Spekulation: Es war die Wiedergabe durch spezifische Wortzeichen, die durch Äonen das menschliche Bewusstsein geprägt, nämlich überhaupt erst möglich gemacht hat, und diese Bewusstseinsver- fassung hat ihrerseits seine Wahrnehmung geprägt.

Und siehe da: Eine 'vernünftige' Weltanschauung, und darunter verstehen wir seit gut 200 Jahren eine, die die Phänomene einander als Ursachen und Wirkungen zuordnet, ist nur bei einer digitalen Unterscheidung der Wahrnehmungen möglich: Eine Erscheinung muss als diese Eine spezifiziert worden sein, um ihr 'diese eine' Ursache zuschreiben zu können. Wessen Wahrnehmung aus ineinander übergehenden Bildern besteht, muss sich mit erfahrungsmäßiger Wahrscheinlichkeit bescheiden.

Merke: Die Unterscheidung nach Ursache und Wirkung ist reflexiv, sie schaut sich um: 'Da' ist die Erschei- nung, die Ursache muss als hinter ihr verborgen angenommen werden - als schon geschehene, und durch sie ist sie bestimmt. Der probabilistische Blick in die Welt sieht nach vorne, er erwartet etwas; doch das Etwas ist analog, nur ungefähr, noch unbestimmt.
JE 

siehe auch:

• Wie kam der Mensch zum Reflektieren?  

 

Das egozentrische Gehirn, II.

vinschgau
aus derStandard.at, 28. April 2019

Warum wir ehrlich glauben, schneller als andere zu reagieren 
US-Psychologen vermuten, dass unser Gehirn eine "egozentrische Zeitordnung" hat

Tempe – "Egozentrische Zeitordnung" nennen US-Psychologen in einer nun veröffentlichten Studie ein Phänomen, das uns häufig Fehleinschätzungen vornehmen lässt – und zwar zu unseren Gunsten. Es führt dazu, dass wir ehrlich der Meinung sind, schneller als jemand anderer auf einen Auslöser reagiert zu haben, auch wenn die Stoppuhr nüchtern anzeigt, dass wir und unser Widerpart gleich schnell waren.

Die Psychologen Ty Tang und Michael McBeath von der Arizona State University berichteten im Fachmagazin "Science Advances", es könne durchaus sein, dass im Streit um einen Einwurf beim Basketball beide Spieler ehrlich glauben, sie hätten den Ball vor dem Gegner berührt. Das gleiche trete aber auch in einem weniger turbulenten Kontext als dem eines Ballspiels auf: Bei Tests, in denen zwei einander gegenüber sitzende Teilnehmer gleichzeitig reagierten, behaupteten demnach durchschnittlich 67 Prozent, sie selbst seien schneller gewesen.

Die Forscher gehen davon aus, dass das Gehirn die eigene Reaktion zuerst wahrnimmt und dann erst das externe Handeln. Durch diese "egozentrische Zeitordnung" sehe unser Gehirn eigene Handlungen und Wahrnehmungen immer vorher, erklärt McBeath. "Menschen können deshalb ihre eigenen Handlungen nahezu in Echtzeit wahrnehmen, zum Beispiel wenn sie einen Baseball fangen oder wegschlagen. Aber wir brauchen etwas mehr Zeit, um etwas Unerwartetes zu verarbeiten, zum Beispiel wenn uns jemand überraschend auf die Schulter klopft." Das Gehirn verhalte sich "parteiisch", so die Forscher. (red, APA,)

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Abstract
Science Advances: "Who hit the ball out? An egocentric temporal order bias"


Nota. -  Ich weiß ja, was ich vorhabe. Wenn ich es ausführe, ist es déjà-vu. Wenn ein anderer etwas tut, muss ich erst erkennen, was es ist. - Das ist banal, aber erst, wenns einem einer sagt. Weil es so selbstver- ständlich ist, wärs einem selbst nie eingefallen.
JE

Wie Galileo die Wissenschaft erfand.

Justus Sustermans, 1635

aus spektrum.de

Galilei und die neue Wissenschaft: 
Experiment und Mathematik

Von Josef Honerkamp

Die Erkenntnis, dass es in einem Meer von Mystik und Dialektik immerhin noch die Möglichkeit gibt, die Wahrheit von Aussagen auf eine andere Aussage zu übertragen, hat mich in meiner Jugend, als mir dieses so richtig bewusst geworden war, sehr umgetrieben.

Wozu konnte man das nicht alles benutzen! Man könnte ja so eine Art logischer Ordnung zwischen Aus- sagen herstellen, in der klar wird, welche Aussagen aus welchen anderen Aussagen jeweils folgen. Man könnte von wahren Aussagen starten und darauf ein ganzes Gedankengebäude errichten, das nur aus wahren Aussagen besteht. Aber – mit welchen Aussagen kann man anfangen? Das war die große Frage. 

Die Organisation sicheren Wissens

Solche Gedanken liegen natürlich nahe. In der Tat hatten sie auch schon die antiken Griechen. Aristoteles hatte, wie schon einem früheren Blogbeitrag erwähnt, gezeigt, dass man von den Syllogismen der 1. Form ausgehend, alle anderen Syllogismen ableiten kann. Er hatte damit das Problem, wie man überhaupt zu wahren Aussagen kommt, in der Weise gelöst, dass er die Syllogismen der 1. Form als wahre Sätze betrachtete. Diese waren ja auch unmittelbar einleuchtend. Einige Jahrzehnte später hatte dann Euklid von Alexandria das damalige Wissen über geometrische Flächen und Körper logisch geordnet und damit das erste größere axiomatisch-deduktive Gedankengebäude erstellt. Auch hier musste er zu Beginn einige Sätze als wahr ansehen. Hier schienen diese aufgrund der Anschauung evident zu sein.

• III. Wie die Wissenschaft entstand.

In der Begriffslogik und in der Geometrie war also schon ein Modell entwickelt worden, mit dem man die Erkenntnis, dass es einen sicheren Transport von Wahrheit gibt, verwerten konnte. Wie wir aber im letzten Blogbeitrag gesehen haben, hat man erst sehr viel später die logische Basis für die Schlussfolgerungen in der Mathematik verstanden. Vorher galten diese als „unmittelbar einleuchtend“. Man machte dabei etwas richtig, konnte es nur nicht genau begründen; ja, man wusste nicht einmal, dass es da etwas zu begründen gab. Erst später sollte es nicht mehr reichen, dass einem etwas „unmittelbar einleuchtet“.

So war damals die Mathematik das einzige Gebiet, in dem man mit sicherem Wissen umgehen und auch praktische Probleme lösen konnte. Im 20. Jahrhundert ist nun die mathematische Logik dazu gestoßen. Zunächst war diese nur für theoretische Fragen interessant wie z.B. für das Studium der Grundlagen der Mathematik. Heute ist sie aber auch Grundlage für viele Algorithmen, die für die Extraktion und Gewinnung von Wissen in Rahmen der „künstliche Intelligenz“ entwickelt werden.

Die Mathematik blieb also über all die früheren Jahrhunderte ein unerreichtes Vorbild für die Organisation sicheren Wissens. Man hatte durchaus versucht, eine ähnliche Strenge der Argumentation in Philosophie und Ethik einzuführen. Solche Ansätze waren aber alle im Sand verlaufen (siehe Wikipedia: Mathesis universalis). Waren es die falschen Gebiete für eine Strenge der Gedankenführung nach Art der Mathematisierung gewesen?

Heute sehen wir, wie viele Gebiete der empirischen Wissenschaften immer stärker mathematisiert werden. Galileo Galilei war es, der die ersten Schritte dazu in der Naturforschung machte. Er hat als erster ein Ergebnis eines physikalischen Experimentes in der Sprache der Mathematik beschrieben. Dabei erkannte er durchaus die Tragweite dieser Verknüpfung von Mathematik und Experiment, er sah sofort, welch eine Revolution eine Mathematisierung für das damalige Verständnis von Wissenschaft darstellt. So sprach er von einer „neuen Wissenschaft“, die er begründet habe. Sein Satz „Das Buch der Natur ist in der Sprache der Mathematik geschrieben“ zeugt davon genauso wie auch die Passage seines Briefes an den toskanischen Staatssekretär Vinta im Jahre 1610: „Daher erlaube ich mir, das eine neue Wissenschaft zu nennen, die von ihren Grundlagen angefangen von mir entdeckt worden ist.“

Galilei griff damit den Gedanken der Pythagoreer wieder auf, aber in einer ganz neuen Weise. Er sah auch, dass es eine Ordnung, also Regelmäßigkeiten in der Natur gibt, die sich in mathematischen Beziehungen ausdrücken lassen, und hatte auch durch sein Studium der Euklidschen Geometrie die Strenge der mathematischen Schlussfolgerungen kennen gelernt. Er erkannte aber auch, dass man die Natur durch Experimente „befragen“ muss, um diese Ordnung zu entdecken. Nicht Mathematik allein, nicht Empirie allein, sondern Experiment und Mathematik sind die Pfeiler seiner neuen, strengen Wissenschaft.

Wir kennen alle die Folgen dieser Entdeckung, ohne diese wäre unsere Welt heute eine völlig andere. Irgendwann aber musste wohl diese „neue Wissenschaft“ entdeckt werden; zu nahe stehen sich Natur und Mathematik – besser gesagt: Natur und Logik. 

Wann ist eine Implikation wahr?

Warum spielt Empirie, warum spielen „Befragungen“ der Natur in Form von Experimenten eine solch bedeutsame Rolle, wenn man sich eine Theorie nach dem Vorbild der Euklidschen Geometrie, also als axiomatisch-deduktives System wünscht?  Schauen wir uns deshalb den Modus ponens als Prototyp eines logischen Schlusses noch einmal an:

A, A → B ⊨ B.

Um auf eine Aussage schließen zu können, die unanfechtbar wahr ist, müssen die Prämissen A und A → B wahr sein. Es gibt eine Aussage, nämlich A, die in beiden Prämissen vorkommt.  Die Implikation bildet die Brücke zu einer neuen Aussage, nämlich B, auf die dann geschlossen wird. Solche „Brücken“ muss es in jeder Schlussregel geben, denn aus Aussagen, die völlig unabhängig neben einander stehen, kann nichts geschlossen werden. Auch die Syllogismen besitzen ja jeweils einen Mittelbegriff, der in beiden Prämissen vorkommt.

Eine wahre Implikation A → B bedeutet, dass A hinreichend ist für B: Stets, wenn A, so B. Wo ist das der Fall?

Wir können wahre Implikationen finden, wenn wir die Natur befragen. Wir erhalten dann z.B. folgende Antworten: „Wenn ich einen Ball in die Luft werfe, dann fällt er zu Erde,“ oder „Wenn in einem Draht ein elektrischer Strom fließt, dann existiert ein Magnetfeld in seiner Umgebung.“ Die Experimentalphysiker sind also Lieferanten wahrer Implikationen, die wir dann auch als Naturgesetze formulieren.

Wahre Implikationen können wir auch finden, wenn wir z.B. die Aussage „Alle Griechen sind Menschen“ umformen in

„Wenn x ein Grieche ist, dann ist x ein Mensch“.

Hier haben wir die Begriffe „Griechen“ und „Menschen“ so gebildet, dass die Implikation wahr ist. Die Aussage wird also dadurch wahr, dass wir die Begriffe entsprechend bilden.

Dann sind wir aber schon am Ende. Für alle anderen Implikationen ist wohl der dialektische Schluss zuständig, d.h. hier gehört eine Implikation zu der Kategorie von Sätzen, über die Aristoteles gesagt hat:

Glaubwürdig sind Sätze, wenn sie von Allen, oder von den Meisten oder von den weisen Männern und zwar bei Letzteren von allen, oder von den meisten oder von den erfahrensten und glaubwürdigsten anerkannt werden.

Wir können noch hinzufügen: Und das, was von den „weisen Männern“ anerkannt wird, hängt auch noch von der Zeit ab. Denken wir nur an die Gesetze der Rechtwissenschaft, z.B. an das Gesetz §1356 des BGB, das bis 1977 noch lautete: „Die Frau führt den Haushalt in eigener Verantwortung. Sie ist berechtigt, erwerbstätig zu sein, soweit dies mit ihren Pflichten in Ehe und Familie vereinbar ist.“

Wenn es um Regelungen für das menschliche Zusammenleben geht, um Moral, Sitten und Gebräuche, ja, um alles, was uns die Natur nicht sagt, kann es keine allgemein akzeptierbaren wahren Implikationen geben. Wir sind auf den dialektischen Schluss verwiesen und damit auf ein Verhandeln darüber, welche Implikationen denn als wahr gesetzt werden sollen. Hier können wir also Wahrheit nur „setzen“, nicht finden.

Die Folge davon ist, dass die Aussagen der Naturwissenschaften universell gelten, es aber unzählige Religionen und Rechtssysteme gibt. In den Naturwissenschaften gibt es zwar auch eine Veränderung im Laufe der Zeit. Diese ist aber, wie wir in späteren Blogbeiträgen sehen werden, eine Art von Evolution, ein „Finden vom immer besseren“ Grundannahmen aufgrund von stets neuen Entdeckungen über das Verhalten der Natur.    

Einige Zeit hat man geglaubt, dass sich Regeln für das menschliche Zusammenleben auch aus der Natur des Menschen ablesen ließen. Eine solche Naturrechtslehre kann für verschiedenste Ideologien nutzbar gemacht werden. Letztlich sind es immer die „weisen Männer“, welche die Sätze, welche eigentlich nur für einige glaubwürdig erscheinen, allgemein als wahr dekretieren. Die katholische Kirche hält heute noch an dieser Lehre fest. Seit Jahrhunderten spricht man aber von einem „naturalistischen Fehlschluss“, wenn man vom „Sein“ auf das „Sollen“ schließt. Eine Implikation, die Aussagen über das Sein mit einer Aussage über das Sollen verknüpft, ist aus der Natur nicht ablesbar.  Wir verdanken dem Philosophen David Hume (1711 bis 1776) die erstmalige explizite Formulierung dieser Einsicht. 

Die neue Wissenschaft des Galileo Galilei

Das „heiße“ Thema der Naturforschung zu Zeiten Galileis war die Bewegung. In seinem Werk „Discorsi“ heißt es:

Nichts ist älter als die Bewegung, und über dieselbe gibt es weder wenig noch geringe Schriften der Philosophen. Dennoch habe ich deren Eigentümlichkeiten in großer Menge, und darunter sehr wissenswerte in Erfahrung gebracht. 

Die Bewegung war ja schon Thema bei den Vorsokratikern gewesen. Aristoteles hatte verschiedene Klassen von Bewegungen unterschieden und dabei für jede eine besondere Erklärung gefunden. Die Bewegung ist nun einmal das Phänomen, das uns am unmittelbarsten begegnet, das man aber auch am Himmel als Gang der Gestirne beobachten kann. Wenn man überhaupt etwas von der Natur lernen wollte, musste man wohl zunächst die Bewegung „verstehen“.

Was für ein Experiment war das nun, mit dem Galilei die Bewegung studierte, und welche Form von Mathematik wandte er zur Beschreibung der Ergebnisse an? Wie Galilei das Problem anging, ist bemerkenswert und symptomatisch für den Gang der modernen Wissenschaft. Er richtete nicht den Blick auf „das Ganze“ wie die Vorsokratiker es taten, suchte auch keine allgemeine Übersicht zu erstellen wie Aristoteles, sondern fing es „im Kleinen an“. Er ließ eine kleine, glatt polierte Kugel eine schiefe Ebene, d.h. ein schräg gestelltes schmales Holzbrett herunterrollen, in das er eine Rinne eingegraben war – ein Kinderspiel in heutigen Zeiten. 

Allein diese Wendung des Blicks zeugt schon von der Unabhängigkeit seines Denkens, wie sie einem Genie eigen ist. Noch zu Goethes Zeiten galt es für Philosophen, über das nachzudenken, „was die Welt im Innersten zusammenhält“, und Faust hat nur Spott für Mephistopheles übrig, wenn er um die Menschen kämpft: „Du kannst im Großen nichts verrichten, und fängst es nun im Kleinen an“.  Religionen kennen nur diese Frage nach „dem Großen“.

Eigentlich hat Galilei damit die Fährte von Xenophanes wieder aufgenommen. Wenn man darauf vertraut, dass es möglich sein wird, „suchend das Bessere zu finden“, schätzt man auch „kleine Erfolge“ bei der Suche nach Erkenntnissen; man sucht eine Vorlage, auf der man aufbauen kann. So funktioniert die moderne Wissenschaft, die moderne Technik. Deshalb gibt es Forschung und Entwicklung.

Galilei musste nun bei jedem Rollen der Kugel Zeiten und Wegstrecken messen. Wie er insbesondere eine Zeiteinheit festlegen konnte, in dem er sein Gespür für einen gleichmäßigen Takt bei einem Lied ausnutzte, ist ausführlich in (Fölsing, 1983, p. 177ff) beschrieben. In seinen Aufzeichnungen berichtet er: „ … bei wohl hundertfacher Wiederholung fanden wir stets, dass die Strecken sich verhielten wie die Quadrate der Zeiten, und dieses für jede Neigung der Ebene, das heißt der Rinne, in dem die Kugel lief.“(Discorsi, nach (Fölsing, 1983, p. 174)).

Galilei formulierte das Ergebnis in Form von Proportionen, Verhältnissen, wie es damals üblich war und wie man es anders noch nicht gelernt hatte. Zeitabschnitte und Wegstrecken waren ja Größen unterschiedlicher Dimension, und man hatte noch nicht verstanden, wie man solche Größen direkt in Beziehung setzen kann. Deshalb schrieb er sein Ergebnis nicht in der Form auf, in der die Wegstrecke proportional zum Quadrat der benötigten Zeit auf, sondern als Gleichheit der Verhältnisse von zwei Strecken und zwei Quadraten entsprechender Zeiten. In einem Graphen, in dem die Zeiten gegen die Wegstrecken aufgetragen sind, stellt sich das als eine Halbparabel dar, etwa so, wie man sie in der Tat im Dialogo Quarto des Discorsi Galileis bei der Diskussion geworfener Körper findet (Abb. 1).

Abb. 1: Halbparabel, wie sie Galilei bei der Diskussion geworfener Köper gezeichnet hat ( (Galilei, 2015, p. 276) nach (Simonyi, 1990, p. 200).

Hier muss man etwas zum Stand des mathematischen Wissens der Zeit Galileis sagen. Das kann nicht höher gewesen sein als dasjenige, was man aus der Spätantike kannte und wie es wohl auch an den Universitäten der Zeit an den Artistenfakultäten, den Fakultäten der „artes liberales“, der freien Künste“, gelehrt wurde. So dachte man in der Mathematik vorwiegend in geometrischen Begriffen, da ja die Geometrie in der Antike immer dominant gewesen war. Erst etwa zwei Generationen später sollte René Descartes eine „Analytische Geometrie“ entwickeln, in der man geometrische Beziehungen als arithmetische ausdrücken und man somit geometrische Probleme im Rahmen der Arithmetik analysieren konnte. Danach wurde die Mathematik im Wesentlichen zur Arithmetik und zur Algebra, der Lehre vom Umformen arithmetischer Beziehungen. Dass nun sich das Verhältnis von Zeiten zu Wegstrecken bei dem Fall auf der schiefen Ebene sich durch eine Parabel darstellen ließ, passte gut in die Welt, in der Mathematik zum größten Teil aus Geometrie bestand. 

Galilei war zudem von einem Ingenieur und Geometer Ostilio Ricci in die Schönheit und Stringenz der “Geometrie” des Euklids eingeweiht worden. Er war damit auch schon von dem Gedanken „infiziert“, seine experimentellen Aussagen logisch ordnen zu müssen. Er suchte somit auch ein Prinzip, aus dem alle diese Aussagen herleitbar sind. Dabei geriet er allerdings auf eine falsche Fährte. Vier Jahre später konnte er diesen Irrtum korrigieren (Fölsing, 1983, p. 175ff). Eine solche „Theorie“ für eine Fallbewegung wäre ohnehin bald obsolet gewesen. Er konnte nicht ahnen, dass am Ende seines Jahrhunderts eine Theorie entstehen sollte, die alle Bewegungen am Himmel und auf der Erde von einigen wenigen Axiomen ausgehend erklären konnte. Seine Fallbewegung wurde darin zu einem kleinen Spezialfall.

Der englische Physiker und Mathematiker Isaac Newton stand bei der Entwicklung dieser Theorie gewissermaßen auf den Schultern Galileis. Das erste Axiom in dieser Theorie stützte sich nämlich auf eine Hypothese Galileis, auf die dieser bei seinen Fallexperimente geführt worden war.  Es war die Hypothese, dass auf einer horizontalen Ebene die rollende Kugel ihre Geschwindigkeit „im Prinzip“ nicht ändert.

Eine solche Bewegung nennen wir heute geradlinig-gleichförmig, d.h. einer geraden Linie folgend und gleichbleibend in der Geschwindigkeit. Diese stellt nun einen Zustand der Kugel dar, bei dem nichts „erzwungen“ werden muss. Wenn man dieses Prinzip richtig verinnerlicht, kommt man vielleicht auf die Frage, wie sich denn diese Bewegung verändert, wenn man etwas „erzwingt“.  Diese Hypothese Galileis muss also wohl eine Steilvorlage für Isaac Newton gewesen sein, und steht somit nicht ohne Grund am Anfang seiner Theorie. In der Praxis kommt die Kugel im Experiment Galileis natürlich zur Ruhe. Dafür sorgt die Reibung der Kugel an der Oberfläche.

Dieses Abebben der Bewegung durch die Reibung ist für Aristoteles in diesem Kontext die natürliche, eigentliche Bewegung, sie ist ein Prozess. Mit „Zwang“ kann sie aufrechterhalten werden. Die Ruhe ist für die Aristoteliker wie auch für die Vorsokratiker ein ganz besonderer Zustand, „wesensmäßig“ verschieden von einer Bewegung.

Bei Galilei ist in diesem Kontext die geradlinig-gleichförmige die natürliche, eigentliche Bewegung, sie ist ein Zustand. Durch äußere Umstände wie Reibung kann sie zur Ruhe kommen. Ruhe ist nur ein spezieller Zustand dieser Art, gewissermaßen das Nullelement der Klasse der geradlinig-gleichförmigen Bewegugen. Diese Einsicht steht am Anfang der modernen Physik.

Mit welchen Aussagen kann man bei der Formulierung eines axiomatisch-deduktiven Systems anfangen? Die Antwort auf diese Frage lag für eine Theorie der Bewegung, die Newton dann entwickelte, nahe: Die Einsicht Galileis musste wohl am Anfang einer Theorie der Bewegung stehen.

Schauen wir uns an, welche Aussagen in dieser Theorie, aber auch welche noch in weiteren physikalischen Theorien an den Anfang gestellt worden sind. Wir werden sehen, dass das auf höchst unterschiedliche Weise geschah. Verschaffen wir uns aber erst einmal im nächsten Blogbeitrag einen Überblick über diese Theorien. 

Zahl heißt nicht Anzahl.

aus scinexx

Wie unser Zahlensinn entsteht
Sinn für Mengen ergibt sich spontan aus der Erkennung sichtbarer Objekte

Spontane Zahlenvorlieben: Der Sinn für Mengen ist offenbar weder antrainiert noch das Resultat spezieller Hirnzellen – er entwickelt sich ganz spontan, wie nun ein Experiment belegt. In ihm lernten sogar künstliche Neuronen eines neuronalen Netzwerks von selbst, Punktmengen abzuschätzen – selbst wenn sie nur auf die Objekterkennung trainiert waren. Das spricht dafür, dass das Sehsystem von Mensch und Tier von selbst diese Fähigkeit entwickelt, so die Forscher im Fachmagazin „Science Advances“.

Lange galt der Zahlensinn als rein menschliche Fähigkeit. Doch inzwischen wissen wir, dass auch viele Tiere die Anzahl von Objekten erkennen und ihre Mengen vergleichen können. Zu diesen „zahlensinnigen“ Tieren gehören neben Affen, Elefanten, Hunden und Wölfen auch Tintenfische und sogar Honigbienen. Ähnlich wie bei uns scheinen bei ihnen bestimmte Neuronen im Gehirn selektiv auf ihre „Lieblingszahlen“ zu reagieren.

Neuronales Netzwerk als Helfer

Doch wie entsteht dieser Zahlensinn? Klar scheint, dass diese Fähigkeit zur Mengenunterscheidung nicht erlernt wird, sondern offenbar angeboren ist. Denn schon Neugeborene zeigen diesen Zahlensinn und besitzen demnach bereits die nötigen „Zahlenneuronen“. Weil die Mengeneinschätzung eng mit dem Sehen von Objekten zusammenhängt, vermuten Wissenschaftler schon länger, dass das Sehsystem für den Zahlensinn entscheidend ist – und ihn möglicherweise sogar spontan ausbildet.

Um das überprüfen, haben Khaled Nasr und seine Kollegen von der Universität Tübingen nun einen ungewöhnlichen Helfer eingespannt – eine künstliche Intelligenz. „In jüngster Zeit haben solche biologisch inspirierten neuronalen Netzwerke wertvolle Einblicke in die Arbeitsweise des Sehsystems beliefert“, erklären die Forscher. Denn ähnlich wie unser Gehirn lassen sich diese lernfähigen Systeme auf die Erkennung bestimmter Objekte oder Kategorien trainieren.

In einem neuronalen Netzwerk, das auf die Zuordnung von Fotos trainiert wurde, bilden sich spontan künstliche Neuronen heraus, die auf verschiedene Lieblingszahlen abgestimmt sind

Training für den Sehsinn – aber nicht aufs Zählen

Für ihr Experiment nutzten die Forscher ein neuronales Netzwerk und trainierten es anhand von 1,2 Millionen Fotos darauf, Objekte wie Spinnen, Hunde, Bälle oder Schmuck zu erkennen und einer Kategorie zuzuordnen. „Das Netzwerkmodell beruhte auf einem System, das in seiner Architektur dem frühen Entwicklungszustand der menschlichen Sehhirnrinde nachempfunden ist“, erklärt Seniorautor Andreas Nieder.

Gegliedert ist das Netzwerk in zwei Teile: Der eine extrahiert aus den Bildern die Merkmale des gezeigten Objekts und verwandelt diese in eine abstrakte Repräsentation. Diese Untereinheit übernimmt damit die Erkennung der kennzeichnenden Merkmale. Der zweite Teil – das Klassifikations-Netzwerk – ordnet die Objekte anhand der Repräsentation dann einer Kategorie zu. Wie erwartet, lernte das System schnell, gesehene Objekte zu erkennen und der korrekten Kategorie zuzuordnen.

Künstliche Neuronen entwickeln Zahlenvorlieben

Nun folgte der entscheidende Test: „Die beiden Netzwerkteile haben wir voneinander getrennt und präsentierten nun dem ersten Teil statt Fotos von Objekten einfache Punktmuster mit ein bis 30 Punkten“, erläutert Nieder. Die Forscher wollten wissen, ob das neuronale Netz ohne vorheriges Training spontan eine Sensibilität für Mengen entwickelte – und ob im Netzwerk dabei womöglich eine ähnliche Arbeitsteilung wie im Gehirn entsteht.

Und tatsächlich: „Fast zehn Prozent der künstlichen Neurone hatten sich auf jeweils eine bestimmte Anzahl spezialisiert, obwohl das Netzwerk nie auf die Unterscheidung von Anzahlen trainiert wurde“, berichtet Nieder. Ähnlich wie im Gehirn von Tieren oder Kleinkindern reagierten diese künstlichen Neuronen bevorzugt auf bestimmte Mengen. „Das Netzwerk hatte sozusagen spontan einen Zahlensinn entwickelt“, so der Forscher.

Inhärente Folge des Sehsinns?

Interessant auch: Bei der Bewertung der Punktmengen demonstrierte das neuronale Netzwerk die gleichen Eigenheiten, die auch Menschen und Tiere beim Zahlensinn zeigen. Es fiel ihm leichter, deutlich voneinander abweichende Punktmengen zu unterscheiden als fast gleiche Mengen. Wie der Mensch lag die KI zudem bei kleineren Mengen häufiger richtig als bei großen. Im Schnitt schätzte das Netzwerk neue Punktmengen zu 81 Prozent korrekt ein – das entspricht dem Abschneiden von Affen und Menschen, wie die Forscher berichten.

Damit scheint klar: Der Zahlensinn ergibt sich von allein – er ist fast schon zwangsläufig eine Folge der Verarbeitung von visuellen Informationen. „Der Zahlensinn scheint demnach nicht von einem bestimmten spezialisierten Hirnbereich abzuhängen, sondern greift auf neuronale Netzwerke zurück, die sich durch das Sehen gebildet haben“, sagt Nieder. „Dadurch lässt sich nun erklären, warum auch schon Neugeborene oder untrainierte Wildtiere einen Zahlensinn besitzen.“ (Science Advances, 2019; doi: 10.1126/sciadv.aav7903)
 
Quelle: Eberhard Karls Universität Tübingen
13. Mai 2019

- Nadja Podbregar

Nota. - Es ist doch jedesmal wieder schockierend, wie hochnäsig sich Naturwissenschaftler an der Mühsal des Begreifens vorbeidrücken, so als ob alles, was sich nicht messen lässt, metaphysischer Plunder wäre! Nein, Zahl heißt nicht schlechterdings Anzahl, Menge heißt nicht Zahl, und Zählen heißt nicht Mengen messen.

Das Zählen rührt mit großer Wahrscheinlichkeit vom Nacheinander in der Zeit her und nicht vom Neben- einander im Raum. Zahlen waren zunächst Ordnungszahlen - erstens, zweitens, drittens... Erst als mit der Sesshaftigkeit das Wirtschaften begann, hat das Quantifizieren das Qualifizieren überwuchert und ist die Zahl in allererster Linie zur An zahl geworden.
JE

Philosophie ist interessanter als Naturwissenschaft.

Wenn Gelehrte streiten...

 
Dem Wiener Standard vom 5. Mai gab Jean-Marie Lehn, der französische Chemie-Nobelpreis- träger von 1987, ein Interview. Er hatte zunächst neben Chemie, Physik und Biologie auch Philo- sophie, Griechisch und Latein studiert.


"Lehn: ... Letztendlich habe ich mich für die Naturwissenschaften entschieden.

STANDARD: Weil Sie sie interessanter fanden?

Lehn: Philosophie ist viel interessanter! Die Probleme sind breiter. Aber es gibt keine Möglichkeit zu kon- trollieren, ob das, was Sie sagen, stimmt oder nicht. Ich dachte mir, bei Molekülen kann ich nachprüfen, ob meine Annahmen richtig sind. Naturwissenschaft enthält eine Wahrheit, die am Ende automatisch heraus- kommt. Darüber kann man nicht streiten, nur um recht zu haben. Was ich nicht verstehe, sind Leute, die Er- gebnisse fälschen. Es ist ganz verrückt, dass sie glauben, dass das nie aufgeklärt wird. Das geschieht nur, wenn das Thema nicht interessant ist – dann hat das aber auch keinen Zweck. Bei etwas Wichtigem wird zwangsläufig herausgefunden, wenn etwas gefälscht wurde. Die Wissenschaft ist selbstkorrigierend. ..."


Nota. - Wissenschaft ist systemisch prozessierend, weil sie öffentlich ist. Naturwissenschaft beschäftigt sich mit Gegenständen, an denen Forscher Erfahrungen machen können -  im Experiment. Weil sie öffent- lich sind, kann ein jeder die Experimente überprüfen, indem er sie wiederholt. Welche Interpretation zu- trifft, kommt am Ende automatisch heraus. Positive Wissenschaft ist selbstkorrigierend.

Öffentlich ist auch die Philosophie. Ein Denker, der seine Überlegungen für sich behält, ist so gut, als gäbe es ihn nicht. Aber Philosophie ist nicht systemisch prozessierend. Einem jeden Denker steht es frei, sich mit dem zu befassen, was er für wichtig hält. Wenn er das für wichtig hält, was in der Zunft gerade ange- sagt ist, befindet er sich in einem "Diskussionszusammenhang" und hat was, woran er sich halten kann. Sobald aber etwas anderes angesagt wird - und das hat viel häufiger mit äußeren Anlässen zu tun als mit immanenter Dynamik -, zerfleddert der Dislussionszusammenhang, Ergebnisse kommen ins Archiv, und wenn er sich im pp. Zusammenhang keinen Namen gemacht hat, steht er mit der Emeretierung allein und mit leeren Händen da.

Das ist ein unsicheres Ding. Aber darum ist es auch interessanter als die Naturwissenschaft.
JE