Brian Josephson (2008) - Which Way for Physics?

This talk describes a new approach to the problem of characterising physical reality, one with the potential to fill in gaps in the conventional understanding of nature

Ok well this lecture was planned to tell you something about my current research interest but I really want to start spending a few minutes on something that's totally different from it because of its importance. And I could entitle this part of the talk, The Good, The Bad and The Ugly. Now the Good is a piece of physics which by rights should have led the people involved with it to a Nobel Prize by now since the canonical 10 years has passed quite a time ago. The Ugly is the way this work was attacked by people who had a vested interest in it not being true. And the Bad is the consequences for this kind of science, which is that the scientific community not only closed the door on this research but they locked the door as well. And as a result very few people know about this. It is actually published in obscure, some of it is published in obscure journals which, perhaps I shouldn't say obscure in Germany, Natur und Wissenschaft and Fusion Technology and so on. But most people don't know about this. So I'd just like to take a few minutes going through to tell you something about this. The discovery of course if you haven't worked this out by now was the claim by Flashman and Ponds in 1989 that they could get fusion to occur under ordinary, fairly ordinary conditions rather than extraordinary conditions. What happened after that was that various people tried the experiments, some succeeded and some failed. Some of those who failed worked deliberately to discredit this. They said we didn't see it, we think this is incompetent experimenting and that somehow was the end as far as the scientific community at large was concerned. But meanwhile people tried and they, a lot of people got this rather difficult experiment to work, they got fusion to occur under a variety of conditions. And there's a website lenr.org which has a library giving hundreds of papers on this. So what I want to do, I don't want to take too much of my time on this but just talk about one that I am particularly interested in because, well the way to find out if something is valid or not, the best way is to visit the lab and see what's going on and talk to the people. I visited 2 labs and last year I visited the Laboratory of Thomas Claytor, the work was originally done at Los Alamos when it was funded by the NSF, now it's privately funded and is done a short distance away. Here is one of their papers which I think was published in fusion technology, Tritium production from Deuterium discharge and the abstract begins, 'over the past year we've been able to demonstrate that a plasma loading method produces an exciting and unexpected amount of Tritium from small palladium wires'. Here is one of the graphs in that paper, you see the control samples at the bottom with very little happening. The upper graphs show tritium, tritium is radioactive which makes it a good thing to look for. You can identify what is decaying by using a scintillation counter and also if you keep it a long time you see it decaying over time at precisely the right rate. This is one of the papers you can see at lenr.org, LENR stands for 'low energy nuclear reactions'. And as I say I visited the lab, this is me and the person on my right is Tom Claytor whose experiment it is. I think he first discovered it in 1990 and it's been as a sideline continuing since. And when I went there he was looking at various metals to see which ones gave the highest yields which would obviously be important for practical applications. We may soon see practical applications. I know of one British firm which hopes to have something producing water heating maybe in a couple of years. This shows the glow discharges from my own photograph and this is the apparatus which is apparently generating tritium. That pretty careful people have looked for alternative explanations for why we might be seeing tritium and nobody has discredited this experiment. Neither has anybody discredited the calorimetric measurements in the Flashman experiment though they made an error when they said neutrons were produced. So this does seem to be a genuine thing. Hopefully its use will change one, oh yes let me just say about the propaganda aspect, this is one typical propagandist book by John Huizenga but propagandists are mainly people who work in high-energy physics and don't know anything very much about condensed matter, where things may be very different. Here's reviews, 'an authoritative, frank, hard hitting account of the cold fusion fiasco etc.', Seaborg. Now it's interesting that somebody, Seaborg gave a lecture where he joked about how he managed to get cold fusion abolished, he was asked to advise President Bush... well I'm going to take my background as a nuclear scientist and really come to the sensible conclusion that this work was not right. I said you can't just go out and say this is not valid, you're going to have to create a high level panel that will study it for 6 months and then they'll come out and tell you it's not valid and that's what he did". Now people in charge of the panel were Huizenga who we've seen and Norman Ramsey who was very suspicious as to the arguments that this wasn't occurring and he actually refused to sign the summary report. And he and maybe some other people here are of the impression that this was probably genuine, a genuine effect. Now it may be that we'll soon see a return in intelligent debate. Someone who is a reporter for Physics World, the British equivalent of Physics Today, he covers an experiment which was supposed to demonstrate fusion by a different method and he wrote a blog which has had some fairly intelligent debate and he actually is interested in finding out more and may perhaps attend the next conference. And perhaps Physics World will be the entry point for this and normal scientific discourse will then take place. Ok well so much for cold fusion. I now want to get on to what I'm interested in myself, which way for physics. Now there are, ok I want to contrast 2 views as to the fundamental basis for physics. Now what usually happens since the time of Newton at least is you have a universal formula and everything comes out a solution from that formula, it's a fixed formula from which everything is derived. Now as an alternative that self organisation plays an important role and the laws you observe come about from self organisation. What is self organisation, well it means organisation from within, not from outside and one example is a crystal lattice that nothing says directly you should form a lattice, what happens is as the molecules go together they self organise and a lattice comes out. Now I'm going to discuss how this might happen at the fundamental level of reality. Now ok some historical presidents, some of you may have heard John Archibald Wheeler's thoughts on this subject, he wrote an article called Law without Law where he suggested there aren't really any fixed laws of physics and the laws emerge by some feedback process. That observers observe what's happening, they in some way participate and change the laws. This idea has come about in many contexts. Stuart Kauffman has applied this self organisation idea in biology, he claims that self organisation is important for things happening in biology. Steven Rosen, he has some rather deep books based largely on Martin Heidegger's phenomenology and Merleau-Ponty's phenomenology which is essentially saying you should talk about phenomena. And also one of his ideas is that science is about the search for order with something that is largely disordered. Alexia Yardley is a non-scientist with whom I have been collaborating by email recently and she has some rather interesting ideas on how self organisation actually works and these are found in part of, well these have helped to shape what I'm talking about later. The last one, well a comment by a song writer Samantha Partin just happened to move me in the direction of thinking critical phenomena were important. Ok well let me now move to basics, the sort of, a good point in which this discussion should start. I have here 2 questions, where does biology begin and what are the special features of systems near a critical point. Now these as we'll see in a moment are connected. Now of course if you're going to ask where does biology begin, you can't really answer that without having defined biology so it's a rather tricky question and you have to feel your way to what the answer might be. So as I said I got the idea about critical phenomena or something related called the edge of chaos which is one of the things Kauffman uses in his idea, in his writings. So let's get into critical points and see where biology might fit in there. Well the key points about, well one of the things about critical points, these are points where you get a phase transition, continuous phase transition and as you go to that critical point you get fluctuations which are very large, they're sort of not like ordinary thermal fluctuations which slowly rise with temperature, they get very large and in principle infinite as you go through the critical point. Something I should have put on a slide is that non linearity is important this isn't the case very much for normal fluctuations, this is because of the high amplitude. Also they may persist in time. Well ok they're large in amplitude, spatial range, you get large oscillations of high, of large wavelength. Also you may get persistence over time. Now when we talk about persistence that starts off as something relevant to life because the feature when you think of natural selection life is what persists. Special configurations that will persist over time. But obviously that doesn't really get us far with the question of life. So one more point in the picture connecting critical fluctuations and life is the hierarchical aspect. Well actually fractal, fractal means that the same things happen with all length scales, which happens to a certain approximation in critical points as Ken Wilson used in his Nobel Prize winning work. Biological systems have hierarchies of structure. Also computer programs. However that doesn't, that connection doesn't work out very well because the structures are entirely different at different levels in biological systems. Ok well now what is a biological extra, well I'm gradually working towards this thing. Well special structures and also inter-relationships, now inter-relationships between structures is what will prove crucial. Now let me say at this point, what I'm talking about is entirely qualitative and intuitive, so it's in no sense proved. But it's the kind of thing, it's not philosophy because one should be able to produce computational models and see if things really happen as the qualitative theory suggests. Now one curious thing about this kind of structure is that it's not very well defined, this is partly because of critical fluctuations. The kind of ill defined structure when at a critical point is a bit like the structure of fog. If you ask of a fog patch, where is it, what is its shape, well that's not very well, not very clearly defined, you can sort of make arbitrary definitions of what a fog patch is but it's a little blurred. Nevertheless we can still talk about fog patches, we can say a fog patch is moving. So this is a thing that happens in this rather strange world, in fact the whole methodology would need to be changed in talking about critical points because you can't use very precise descriptions, descriptions are very subjective which in fact winds into the whole theory. Nevertheless you can use models which enable you to understand, it's somehow what language does, it enables you to discuss things even though it's hard to say what the definitions are. Right, well now I'm really going to get into how biology emerges. I have 4 things here: structure, memory, individuality and relationships. Now the line below those we have P and P means physics and B means biological which really means which realm of discourse these things happen in. Well structure is pretty well a physical thing, of course you get structures in biology. Memory is something that's endurance of structure over time is in both. Now we come to things which are more like biology, individuality and relationships. What do I mean by individuality? Ok, individuality could be defined as saying every instance of a phenomenon is different in important ways. Now the important ways is a key thing because if you're dealing with a disordered structure then every instance of a disordered structure is different. The particles have a different arrangement. But the differences are not very important. But the biological structures, differences are structure are important, mutation will change the way things behave. So we're now starting to move into the biological realm, the realm of biological discourse. And relationships are important in biology, systems talk to each other and things happen, they work together because that's the way they relate. So this again has a biological flavour, especially the way things cooperate. Now to say a little bit more about structure, one kind of structure you can get is a static structure, for example an array of spins, spins up and spins down in some particular arrangement. Well that isn't too interesting in this context but you can also get dynamic structures. For example resonance systems may have frequencies that connect. In the solar system there's groups of free objects whose frequencies and linear relationships, that's the kind of dynamic structure, persists over time and is peculiar to that system. Particular triplets have particular relationships between their frequencies. So that's a thing which is probably more interesting and would be used in models. Now individuality is important in biology in the sense that individual molecules have their own special properties. But now we're not talking about chemistry, we're talking about some pattern of fluctuations and the way these could self organise by for example relationships between frequencies. Now another thing which seems to be important and I think may be the key to how functionality intelligence develop, is that these fluctuations I talk about which might be say like the thing you have a laser which is just switching on, there'll be a certain kind of fluctuation. But fluctuations at a critical point may keep changing. In particular 2 fluctuations may merge together into a bigger one or one fluctuation may split up into 2. It all depends on, well for example fluctuations may merge when frequencies become close together. How can you treat this mathematically, well there are 2 kinds of, 2 ways of talking about them, one is more topological and the other more quantitative. You can talk about a cycle for example which is one of the things in Kauffman's theory, system may go through a cycle and once it's in the cycle that cycle may tend to persist because you get back to the starting point. You may talk about movement, change over time. A thing which is particularly important is the idea of an attractor. A system which might go over the whole of a phase base, may through its dynamics be limited to a particular region. Which would mean you get important correlations between parts. You might be able to model this more quantitatively as indeed has been done in some models of chaotic systems. Now the discussions with my collaborator has been well first of all as I've already said about cycles being related to movement, so you might find for example that one system, one thing going through a cycle is coupled to a movement elsewhere and vice versa. This is the kind of thing which one has in biology. What's more interesting is relationships. Now the interesting thing is that you can get various levels of a relationship which we've associated with what I've talked about before, 2 systems merging. Now if they're partly merged then they'll become correlated to a degree and yet have freedom. And there may be, this kind of thing can be modelled in terms of attractors. When they're merged into one this will mean they're in a smaller region of phase base, attractor region. Whereas partial merging is somewhere in between. You may get a situation which Kauffman has discussed where the system is sort of frozen in one region but then some external activation moves it into a larger region. Then the activation level goes, becomes less and they will freeze into a lower region. And some regions literally will be more stable than another. So that's the general mechanism which may produce more stable situations and lead to evolution. These relationships you can expect to evolve for systems doing things together. As they do things there may be more noise as it were or less noise. And the system may then find the most stable situation and these we hope may correspond to a gradual growth of functionality. And there'll be a progression, systems may interact, they may be able to coexist which means that there won't be so much noise around to cause them to disintegrate. And then they may be able to make the noise less and this will be a cooperative regime. There are certain tasks which are important in the biological context, for example feeding and you might get feeding on some, equivalent to feeding, with feeding on fluctuations of the right kind which may sort of keep systems going together better. Reproduction the system may be able to produce, do something which produces a similar system. Systems and relationships that accompany well will tend to survive, so we'll get a kind of natural selection. And now what we hope would happen when you went through models in detail is that relationships, forming relationships goes on and on getting more and more complex structures. For example system might function as a code. You see any kind of functionality may contribute to stability so you may get particular kinds of relationships emerging just through these processes occurring at a critical point. So some systems will act as codes directing the movement of other systems. There may be structures emerge here, you get quasi software, also systems may be able to work together to make a kind of objective reality which persists more again. Ok now you can argue that there are at least some potential links between this theory and conventional quantum mechanics, for example there may be, if you've got some systems which are used in creating an objective reality, these systems really correspond to potentials because whether a particular thing which we have codes for is realised, may depend on the circumstances. So in fact potentiality, Heisenberg's statement as to what's important in quantum mechanics, its potential, is expected in this kind of situation. As these processes deal with and represent possibilities. Symmetries may come up naturally because symmetry present in one of these local systems might as the system accumulates produce a greater degree of extended symmetry. But on the other hand one set of systems may be working to create symmetry while other systems may like to break that symmetry, so this can account for both symmetry and symmetry breaking. So the question is, let me see, I have a slide for this, yeah one there which isn't in the slide. What has happened in fundamental physics so far is people have encountered a problem of fitting together gravity and standard model. They found one way in which these might fit but there's no experimental evidence. And who is to say if this is the right way, there may be many ways of doing it. And this approach you'd say well there isn't any law, the law you have actually emerges and it may have some symmetry and this may be a way of creating a world as it were. So we have to see, what's really needed is to develop these ideas by trying out models, this will not be a simple task, it's difficult enough modelling physical systems, biological systems will involve more modelling. But it's something that should be possible and so we would try and characterise all these steps, create models and this is I think a more practical project than string theory because in string theory you can just do the mathematics and not relate it to real things unless we happen to find all the right particles. Well this may seem a strange set of ideas, I thought Jane Austin's Pride and Prejudice would be a good point on which to conclude, Prejudices against these kind of ideas, you can even get the physics brief into archive which is run by string theorists to bar all papers that might challenge string theory or at least banish them to general physics. But tomorrow's crazy idea, sometimes becomes tomorrow's profound insight. So we'll have to see what tomorrow brings.

Geplant war, dass ich Ihnen in diesem Vortrag etwas über meine derzeitigen Forschungsinteressen erzähle, doch zu Beginn möchte ich mich ein paar Minuten lang mit einer Sache beschäftigen, die damit überhaupt nichts zu tun hat, die aber sehr wichtig ist. Der Titel dieses Vortragsteils könnte lauten: Der Gute, der Böse und der Hässliche (ein Spielfilm – The Good, The Bad and The Ugly; deutscher Titel: Zwei glorreiche Halunken). Der Gute, das ist ein Teil der Physik, der mittlerweile den damit befassten Personen von Rechts wegen einen Nobelpreis hätte einbringen müssen, denn die obligatorischen zehn Jahre sind schon seit einiger Zeit vorbei. Der Hässliche ist die Art und Weise, wie diese Arbeit von Personen attackiert wurde, die ein persönliches Interesse daran hatten, unaufrichtig zu sein. Und der Böse – das sind die Konsequenzen für diese Art von Wissenschaft, nämlich dass die wissenschaftliche Gemeinschaft jener Forschung nicht nur die Tür vor der Nase zugeschlagen hat, man hat die Tür auch noch abgesperrt. Das Ergebnis ist, dass nur sehr wenige Menschen davon wissen. Man veröffentlicht… Einiges davon wird in obskuren Zeitschriften veröffentlicht, ich sollte vielleicht sagen: in Deutschland obskur – Natur und Wissenschaft, Fusion Technology und so weiter. Doch die meisten Menschen wissen nichts davon. Ich möchte diesem Thema daher ein paar Minuten widmen. Falls Sie noch nicht darauf gekommen sind: Bei der fraglichen Entdeckung handelt es sich natürlich um die von Fleischmann und Pons im Jahr 1989 aufgestellte Behauptung, dass es Ihnen möglich sei, die Kernfusion nicht unter außerordentlichen Bedingungen, sondern unter gewöhnlichen, unter ziemlich gewöhnlichen Bedingungen ablaufen zu lassen. Danach versuchten Viele, die Experimente zu wiederholen; einige mit Erfolg, andere scheiterten. Einige von denen, die keinen Erfolg hatten, brachten das Thema bewusst in Misskredit. Sie sagten: Wir haben nichts festgestellt, wir halten das für inkompetentes Experimentieren – und das war das Ende, soweit es die wissenschaftliche Gemeinde im Allgemeinen betraf. Doch mittlerweile haben es zahlreiche Forscher geschafft, dieses schwierige Experiment durchzuführen, sie ließen die Fusion unter einer Vielzahl von Bedingungen ablaufen. Und es gibt eine Website – lenr.org – die über eine Bücherei mit Hunderten von Artikeln zu diesem Thema verfügt. Ich möchte mich nicht allzu lange damit aufhalten, sondern nur über etwas sprechen, woran ich besonders interessiert bin: Die beste Möglichkeit herauszufinden, ob etwas stimmt oder nicht, besteht darin, ins Labor zu gehen, festzustellen, was dort geschieht und mit den Leuten zu reden. Ich habe zwei Labore besucht, im letzten Jahr das Labor von Thomas Claytor. Ursprünglich, als die NSF die Forschung noch finanzierte, fanden die Arbeiten in Los Alamos statt; jetzt ist sie privat finanziert und wird nicht weit davon entfernt durchgeführt. Hier ist ein Artikel dieser Forschungsgruppe, der, wie ich glaube, in Fusion Technology veröffentlicht wurde: Produktion von Tritium aus dem Zerfall von Deuterium, und das Abstract beginnt mit den Worten: und unerwartete Menge von Tritium aus Palladiumdrähten produziert.“ Hier ist eines der Diagramme aus diesem Artikel; Sie sehen unten die Kontrollproben, und es geschieht sehr wenig. Die Kurven oben zeigen Tritium; Tritium ist radioaktiv, was es zu einem interessanten Suchobjekt macht. Mit einem Scintillationszähler kann man feststellen, was zerfällt; und wenn man es lange genug behält, dann sieht man, dass es genau im richtigen Tempo zerfällt. Das ist einer der Artikel, den Sie bei lenr.org lesen können. LENR steht für „low energy nuclear reactions“ (Kernreaktionen bei niedriger Energie). Und wie ich schon sagte, ich habe das Labor besucht – das bin ich, und der Herr zu meiner Rechten ist Tom Claytor, um dessen Experiment es sich handelt. Ich glaube, er hat die Entdeckung im Jahr 1990 gemacht, und seither ist es eine ständige Nebenbeschäftigung. Als ich dort war, war er auf der Suche nach verschiedenen Metallen, um herauszufinden, welches den höchsten Ertrag liefern würde, was natürlich für praktische Anwendungen wichtig wäre. Wir werden schon bald praktische Anwendungen sehen. Ich kenne ein britisches Unternehmen, das hofft, vielleicht in ein paar Jahren ein Gerät zur Erwärmung von Wasser produzieren zu können. Hier sehen Sie die Glimmentladung; das Foto stammt von mir. Und das ist der Apparat, der anscheinend Tritium erzeugt. Man ging sehr sorgfältig vor und hat nach alternativen Erklärungen dafür gesucht, warum sich Tritium nachweisen lässt, und niemand hat dieses Experiment in Misskredit gebracht. Niemand hat auch die kalorimetrischen Messungen im Fleischmann-Experiment diskreditiert, obwohl sie einen Fehler begingen, als sie sagten, dass Neutronen produziert würden. Da scheint also etwas dran zu sein. Ich hoffe, dadurch verändert sich... ach ja, ich muss etwas über den Propaganda-Aspekt sagen. Das ist ein typisches Propaganda-Buch von John Huizenga; doch Propagandisten sind in erster Linie Menschen, die in der Hochenergiephysik arbeiten und nicht viel über kondensierte Materie wissen, wo die Dinge ganz anders sein können. Hier eine Buchkritik: Interessanterweise hielt Seaborg einen Vortrag, bei dem er darüber scherzte, wie er es geschafft hatte, die kalte Fusion aufs Abstellgleis zu schieben. Er wurde gebeten, Präsident Bush zu beraten... Das war ein echtes Dilemma – was sollte ich tun? Ich beschloss, auf meinen Werdegang als Nuklearforscher zu verweisen und kam zu dem vernünftigen Schluss, dass diese Arbeit nicht korrekt war. Ich sagte, Sie können sich nicht einfach hinstellen und behaupten, dass das nicht stichhaltig ist. Sie müssen einen hochkarätigen Ausschuss einberufen, der es sechs Monate lang untersucht; dann stellen die sich hin und erklären Ihnen, dass es nicht stichhaltig ist. Und genau das hat er getan.“ Leitende Mitglieder des Ausschusses waren Huizenga, den wir schon kennen, und Norman Ramsey, der sehr argwöhnisch gegenüber der Behauptung war, es habe sich nichts ereignet; er hat sich geweigert, den zusammenfassenden Bericht zu unterschreiben. Er und vielleicht einige Andere hatten den Eindruck, dass es sich wahrscheinlich um einen echten Effekt handelt. Es kann sein, dass wir schon bald zu einer intelligenten Debatte zurückfinden. Ein Reporter von Physics World, dem britischen Pendant zu Physics Today, berichtet über ein Experiment, das die Fusion durch eine andere Methode demonstrieren sollte. Er schrieb einen Blogbeitrag, der eine ziemlich gescheite Debatte nach sich zog, und er ist tatsächlich daran interessiert, mehr darüber herauszufinden. Vielleicht nimmt er an der nächsten Konferenz teil. Und möglicherweise wird Physics World der Auslöser dafür, dass wieder ein normaler wissenschaftlicher Diskurs stattfinden kann. So viel zu meiner kalten Fusion. Ich komme jetzt zu dem, woran ich selbst interessiert bin – welchen Weg die Physik nehmen wird. Ich werde zwei Ansichten zur Grundlage der Physik gegenüberstellen. Normalerweise geschieht Folgendes, jedenfalls seit den Tagen von Newton: Man hat eine universelle Formel, und alles ergibt sich als Lösung aus dieser Formel; es handelt sich um eine feste Formel, von der alles hergeleitet wird. Nun zur alternativen Ansicht, dass Selbstorganisation eine wichtige Rolle spielt und die Gesetze, die man beobachtet, von Selbstorganisation herrühren. Was ist Selbstorganisation? Es bedeutet Organisation von innen, nicht von außen. Zum Beispiel ein Kristallgitter – nichts gibt die direkte Anweisung, ein Gitter zu bilden, was geschieht ist, dass sich die Moleküle, indem sie zusammenkommen, selbst organisieren, und ein Gitter kommt heraus. Ich werde nun erörtern, wie das auf der fundamentalen Ebene der Realität geschehen könnte. Zuerst ein paar historische Präzedenzfälle... einige von Ihnen haben vielleicht davon gehört, wie John Archibald Wheeler über dieses Thema dachte. Er schrieb einen Artikel mit dem Titel „Law without Law“ (Gesetz ohne Gesetz), in dem er vorschlug, dass es keine festen physikalische Gesetze gibt und sich die Gesetze durch so etwas wie einen Feedback-Prozess entwickeln Diese Vorstellung tauchte in vielen Zusammenhängen auf. Stuart Kauffman hat diese Vorstellung von der Selbstorganisation in der Biologie angewandt; er behauptet, die Selbstorganisation sei in der Biologie wichtig dafür, um Geschehen in Gang zu setzen. Steven Rosen – er hat tiefgründige Bücher geschrieben, die in großen Teilen auf den Phänomenologien Martin Heideggers und Merleau-Ponts beruhen, deren Aussage im Wesentlichen darin besteht, dass man über Phänomene reden sollte. Zu seinen Vorstellungen gehört auch, dass es in der Wissenschaft darum geht, nach Ordnung für etwas zu streben, das in hohem Maße in Unordnung geraten ist. Alexia Yardley, eine Nichtwissenschaftlerin, mit der ich in letzter Zeit per E-Mail zusammengearbeitet habe, hat einige sehr interessante Vorstellungen darüber, wie Selbstorganisation funktioniert. Diese Vorstellungen haben dazu beigetragen, das zu formen, worauf ich noch zu sprechen kommen werde. Und schließlich... nun, eine Bemerkung der Songwriterin Samantha Partin brachte mich zu der Annahme, dass kritische Phänomene von Bedeutung sind. Ich komme jetzt zu den Grundlagen, zu einem geeigneten Ausgangspunkt für diese Diskussion. Ich stelle zwei Fragen: Wo beginnt Biologie, und was sind die besonderen Eigenschaften von Systemen, die sich nahe an einem kritischen Punkt befinden? Wie wir gleich sehen werden, hängen diese beiden Fragen zusammen. Natürlich kann man die Frage nach dem Beginn der Biologie nicht beantworten, ohne Biologie definiert zu haben, weshalb das eine ziemlich knifflige Frage ist. Man muss sich an die Antwort herantasten. Wie ich schon sagte – die Vorstellung von kritischen Phänomenen oder etwas Ähnlichem, das man Rand des Chaos nennt, übernahm ich aus Kauffmans Schriften. Befassen wir uns also nun mit kritischen Punkten und finden wir heraus, wie die Biologie da hineinpassen könnte. Ein Merkmal kritischer Punkte besteht darin, dass es sich um Punkte handelt, bei denen ein Phasenübergang stattfindet, ein kontinuierlicher Phasenübergang. Nähert man sich diesem kritischen Punkt, treten starke Schwankungen auf, die mit der Temperatur langsam zunehmen Ich hätte auf eine Folie schreiben sollen, dass Nichtlinearität anders als bei normalen Fluktuationen wegen der hohen Amplitude von großer Bedeutung ist. Die Fluktuationen können auch lange Zeit fortbestehen. Sie weisen eine hohe Amplitude auf, eine räumliche Ausdehnung; es treten starke Schwingungen großer Wellenlängen auf. Eine zeitliche Persistenz ist ebenfalls möglich. Was die Persistenz betrifft – die ist von Anfang an für das Leben relevant, denn betrachtet man die natürliche Auslese, ist Leben dasjenige Merkmal, das von Dauer ist. Besondere Konfigurationen, die von Dauer sind. Aber das bringt uns natürlich bei der Frage nach dem Leben nicht wirklich weiter. Ein weiterer Bestandteil des Bildes, in dem kritische Fluktuationen mit dem Leben verknüpft werden, ist der hierarchische oder besser gesagt: der fraktale Aspekt. Fraktal bedeutet, dass mit allen Längenskalen das Gleiche geschieht, was bei kritischen Punkten mit einer bestimmten Annäherung der Fall ist; Ken Wilson hat das in seiner Arbeit, für die er den Nobelpreis erhielt, herangezogen. Biologische Systeme weisen hierarchische Strukturen auf, ebenso Computerprogramme. Dieser Zusammenhang bringt allerdings nicht sehr viel, da die Strukturen auf verschiedenen Ebenen in biologischen Strukturen vollkommen anders sind. Nun, was ist ein biologisches Extra? Daran arbeite ich mich schrittweise heran. Besondere Strukturen, ebenso Wechselbeziehungen – Wechselbeziehungen zwischen Strukturen werden sich als entscheidend erweisen. Lassen Sie mich an dieser Stelle erwähnen, dass meine Ausführungen vollkommen qualitativ und intuitiv sind; sie sind in keiner Weise erwiesen. Doch sie sind von der Art... es handelt sich nicht um Philosophie, denn man sollte in der Lage sein, Berechnungsmodelle zu erstellen und herauszufinden, ob die Dinge wirklich so geschehen, wie von der qualitativen Theorie behauptet. Eine merkwürdige Eigenschaft dieser Art von Struktur besteht darin, dass sie nicht sehr gut definiert ist, was zum Teil auf kritische Fluktuationen zurückzuführen ist. Diese Art unzureichend definierter Strukturen, wenn man sich an einem kritischen Punkt befindet, ähnelt ein bisschen der Struktur des Nebels. Wenn man ein Nebelfeld fragt, wo es sich befindet, von welcher Form es ist – nun, das ist nicht sehr klar definiert. Man kann in gewisser Weise willkürlich definieren, was ein Nebelfeld ist, doch es bleibt immer ein bisschen unscharf. Das hält uns aber nicht davon ab, über Nebelfelder zu sprechen; wir können sagen, dass sich ein Nebelfeld bewegt. Das ist also etwas, was in dieser seltsamen Welt geschieht. Spricht man über kritische Punkte, müsste eigentlich die ganze Methodologie geändert werden, denn man kann keine sehr genauen Beschreibungen verwenden. Beschreibungen sind sehr subjektiv; das schlängelt sich durch die ganze Theorie. Dennoch kann man Modelle verwenden, die ein Verständnis ermöglichen. In gewisser Weise ist das etwas, was die Sprache bewerkstelligt: Sie ermöglicht uns, Dinge zu erörtern, obwohl die Definitionen sehr schwer zu bestimmen sind. Nun komme ich zu der Frage, wie sich die Biologie entwickelt. Ich habe hier vier Gesichtspunkte vermerkt: Struktur, Gedächtnis, Individualität und Beziehungen. In der Zeile darunter sehen Sie ein P; P bedeutet Physik und B bedeutet biologisch. Hierdurch wird angezeigt, in welchem Bereich des Diskurses diese Dinge geschehen. Nun, Struktur ist etwas ziemlich physisches, und natürlich gibt es Strukturen auch in der Biologie. Gedächtnis ist zeitliche Dauer der Struktur; das gehört in beide Bereiche. Nun kommen wir zu Dingen, die eher zur Biologie gehören – Individualität und Beziehungen. Was meine ich mit Individualität? Nun, Individualität kann man durch die Aussage definieren, dass jede Instanz eines Phänomens auf bedeutende Art und Weise verschieden ist. Die bedeutende Art und Weise ist entscheidend, denn wenn man mit einer ungeordneten Struktur zu tun hat, ist jede Instanz dieser ungeordneten Struktur verschieden. Die Teilchen weisen verschiedene Anordnungen auf, aber die Unterschiede sind nicht sehr bedeutsam. Doch bei biologischen Strukturen sind Unterschiede in der Struktur bedeutend; Mutationen verändern die Art und Weise, wie sich Dinge verhalten. Jetzt begeben wir uns in den Bereich der Biologie, in den Bereich des biologischen Diskurses. Beziehungen sind in der Biologie von Bedeutung; Systeme sprechen miteinander und Dinge geschehen; sie arbeiten zusammen, denn das ist die Art und Weise, wie sie miteinander in Beziehung treten. Auch das hat also einen biologischen Beigeschmack, insbesondere die Art und Weise, in der Dinge miteinander kooperieren. Über Struktur gibt es noch mehr zu sagen. Eine Art möglicher Struktur ist die statische, zum Beispiel eine Anordnung von Spins; Aufwärts-Spins und Abwärts-Spins in einer besonderen Anordnung. In diesem Zusammenhang ist das nicht besonders interessant, aber es gibt auch dynamische Strukturen. Resonanzsysteme zum Beispiel können Frequenzen aufweisen, die sich miteinander verbinden. Im Sonnensystem gibt es Gruppen freier Objekte, deren Frequenzen und lineare Beziehungen Bestimmte Dreiergruppen weisen bestimmte Beziehungen zwischen ihren Frequenzen auf. Das ist etwas, was wahrscheinlich interessanter ist und sich in Modellen verwenden lassen würde. In der Biologie ist Individualität in dem Sinn von Bedeutung, dass einzelne Moleküle ihre eigenen besonderen Eigenschaften aufweisen. Wir reden jetzt aber nicht über Chemie, sondern über bestimmte Fluktuationsmuster und die Art und Weise, wie sie sich zum Beispiel durch Beziehungen zwischen Frequenzen selbst organisieren könnten. Ein anderer Gesichtspunkt, der offenbar von Bedeutung ist und von dem ich glaube, dass er möglicherweise der Schlüssel zu der Frage ist, wie sich Funktionalität und Intelligenz entwickeln, ist die Tatsache, dass diese Fluktuationen, von denen ich spreche, die etwa so sind wie... sagen wir, Sie schalten einen Laser ein, dann gibt es eine gewisse Art von Fluktuation. Doch Fluktuationen an einem kritischen Punkt verändern sich möglicherweise ständig. Insbesondere können zwei bestimmte Fluktuationen zu einer größeren verschmelzen oder eine Fluktuation kann sich in zwei aufteilen. Es hängt alles davon ab... Fluktuationen können zum Beispiel verschmelzen, wenn sich Frequenzen sehr stark annähern. Wie lässt sich das mathematisch ausdrücken? Nun, es gibt zwei mögliche Ausdrucksweisen – die eine ist eher topologisch, die andere eher quantitativ. Man kann zum Beispiel von einem Zyklus sprechen, was ein Bestandteil von Kauffmans Theorie ist: Ein System kann einen Zyklus durchlaufen, und sobald es sich in dem Zyklus befindet, kann der Zyklus dazu tendieren, bestehen zu bleiben, weil man ja wieder an den Ausgangspunkt zurückkehrt. Man kann Bewegung mit einbeziehen, Veränderung in der Zeit. Von besonderer Bedeutung ist die Vorstellung eines Attraktors. Ein System, das den gesamten Ausgangpunkt einer Phase durchläuft, kann wegen seiner Dynamik auf eine bestimmte Region beschränkt sein. Was bedeuten würde, dass zwischen einzelnen Teilen bedeutende Korrelationen auftreten. Möglicherweise kann man das stärker quantitativ modellieren, was in einigen Modellen chaotischer Systeme tatsächlich schon geschehen ist. Die Diskussionen mit meinem Mitarbeiter... wie ich schon im Hinblick auf die Beziehung zwischen Zyklen und Bewegung sagte... man kann zum Beispiel feststellen, dass ein System, ein Objekt, das einen Zyklus durchläuft, an eine Bewegung gekoppelt ist, die an einem anderen Ort stattfindet und umgekehrt. Das ist etwas, was man in der Biologie vorfindet. Interessanter sind Beziehungen. Das Interessante ist: Es kann verschiedene Ebenen einer Beziehung geben, was wir mit dem in Verbindung gebracht haben, worüber ich vorhin gesprochen habe – zwei Systeme, die miteinander verschmelzen. Wenn sie teilweise verschmolzen sind, werden sie bis zu einem gewissen Grad korreliert und behalten doch ihre Freiheit. Derartige Vorgänge können im Sinne von Attraktoren modelliert werden. Wenn zwei Systeme nicht miteinander korreliert sind, haben sie Punkte, die sich um den Nullpunkt bewegen. Wenn sie zu einem verschmolzen sind, bedeutet das, dass sie sich in einer kleineren Region des Nullpunkts befinden, in der Attraktor-Region. Ein teilweises Verschmelzen liegt irgendwo dazwischen. Es kann sich eine Situation wie die von Kauffman erörterte ergeben: Ein System ist gewissermaßen in einer Region festgefroren, doch dann wird es von einem externen Impuls in eine größere Region bewegt. Daraufhin wird der Impuls schwächer, und es friert in eine niedrigere Region. Und einige Regionen sind buchstäblich stabiler als andere. Das ist der grundlegende Mechanismus, der stabilere Situationen hervorrufen und zu Evolution führen kann. Diese Beziehungen entwickeln sich voraussichtlich bei Systemen, die gemeinsam handeln. Wenn sie etwas tun, kann es weniger oder mehr Rauschen geben als zuvor. Dann kann das System die stabilsten Situationen finden, was, so hoffen wir, einer schrittweisen Zunahme von Funktionalität entsprechen könnte. Und es wird einen Ablauf geben, Systeme können in Wechselwirkung treten, sie können in der Lage sein, nebeneinander zu existieren, was bedeutet, es wird nicht so viel Rauschen geben, dass sie zerfallen. Dann sind sie möglicherweise in der Lage, das Rauschen zu reduzieren – das Ergebnis ist ein kooperatives System. Es gibt bestimmte Aufgaben, die im biologischen Kontext wichtig sind, zum Beispiel Ernährung. In unserem Zusammenhang ist das etwas, das der Ernährung entspricht – die Ernährung von Fluktuationen der richtigen Art, die dafür sorgt, dass Systeme besser zusammenkommen. Reproduktion – das System kann in der Lage sein, etwas zu tun, was ein ähnliches System erzeugt. Systeme und Beziehungen, die gut miteinander auskommen, werden eher überleben; es ergibt sich also eine Art natürlicher Auslese. Wenn die Modelle im Einzelnen durchgegangen sind, hoffen wir, dass der Aufbau von Beziehungen immer weitergeht und zu immer komplexeren Strukturen führt. Ein System kann zum Beispiel als Code fungieren. Jede Art von Funktionalität kann zur Stabilität beitragen; es können also bestimmte Arten von Beziehungen einfach dadurch entstehen, dass diese Prozesse an einem kritischen Punkt ablaufen. Einige Systeme agieren als Codes und lenken die Bewegungen anderer Systeme. Hier können sich Strukturen entwickeln; es entsteht Quasi-Software. Systeme können auch zusammenarbeiten, um eine Art objektiver Realität zu erzeugen, die von zeitlicher Dauer ist. Es lässt sich vorbringen, dass es zumindest einige potentielle Verbindungen zwischen dieser Theorie und der herkömmlichen Quantenmechanik gibt. Nehmen Sie zum Beispiel die Systeme, die zur Erzeugung einer objektiven Realität verwendet werden realisiert wird, kann von den Umständen abhängen. Potentialität – Heisenbergs Aussage, dass in der Quantenmechanik das Potential von Bedeutung ist Symmetrien können auf natürliche Weise entstehen, denn eine Symmetrie, die in einem dieser lokalen Systeme vorhanden ist, kann in dem Maße, in dem sich das System anreichert, in größerem Umfang erweiterte Symmetrie erzeugen. Andererseits kann es sein, dass eine Gruppe von Systemen Symmetrie erzeugt, während andere Systeme sich daranmachen, die Symmetrie zu brechen. Dadurch kann es also sowohl zu Symmetrien als auch zum Bruch von Symmetrien kommen. Die Frage ist demnach... warten Sie, ich habe eine Folie dafür... nein, es ist nicht auf der Folie. Was in der Grundlagenphysik bisher geschehen ist – man steht vor dem Problem, die Schwerkraft und das Standardmodell miteinander in Einklang zu bringen. Man hat einen Weg gefunden, wie diese beiden zueinander passen könnten, doch es gibt keinen experimentellen Beweis dafür. Und wer kann schon sagen, dass das der richtige Weg ist? Es kann viele mögliche Vorgehensweisen geben. Und dieser Ansatz... Sie werden vielleicht sagen: Es gibt kein Gesetz, das Gesetz, das es gibt, entwickelt sich in Wirklichkeit, es kann Symmetrie aufweisen und es kann eine Möglichkeit sein, wie eine Welt erschaffen worden sein könnte. Wir werden sehen. Wirklich erforderlich ist es, diese Ideen durch das Testen von Modellen zu entwickeln. Das wird keine leichte Aufgabe – es ist schwer genug, physikalische Systeme zu modellieren; biologische Systeme erfordern noch mehr Modellierarbeit. Doch es sollte möglich sein, weshalb wir versuchen, all diese Schritte zu charakterisieren, Modelle zu erstellen – jedenfalls halte ich das für ein stärker praxisbezogenes Projekt als die Stringtheorie, denn in der Stringtheorie kann man nur mathematische Berechnungen durchführen, man kann sie nicht mit realen Dingen in Verbindung bringen, solange wir nicht alle richtigen Teilchen finden. Meine Vorstellungen mögen vielleicht seltsam erscheinen. Ich habe mir deshalb gedacht, „Stolz und Vorurteil“ von Jane Austen könnte ein guter Schlusspunkt sein Man könnte auch das Physics Preprint Archive, das von Stringtheoretikern verwaltet wird, dazu bringen, alle Artikel zu verbieten, in denen die Stringtheorie in Frage gestellt wird Doch die verrückte Idee von heute ist manchmal die tiefe Erkenntnis von morgen. Warten wir also ab, was die Zukunft bringt.

Brian Josephson (2008)

Which Way for Physics?

Brian Josephson (2008)

Which Way for Physics?

Abstract

This talk describes a new approach to the problem of characterising physical reality, one with the potential to fill in gaps in the conventional understanding of nature. It is based on a different view from the usual one of structure at the finest levels, which structure is taken to be highly irregular, as in systems at the 'edge of chaos', but with self-organisation leading to the emergence of more regular behaviour at higher levels including those familiar in today's science. In this picture the basic processes involve collections of agents cooperating to create, and survive in, a 'lifeworld', which can be viewed as a biological equivalent to the kinds of cooperative processes familiar in the context of physics.

This picture is characterised by the infusion of meaning (identified with the ways in which the various agents cooperate through information exchange) into a domain that, through the lack of a clear interpretation of quantum indeterminacy, is normally regarded as a no-go area for physics. Since meaning seems to be an essential part of our experience, the new perspective could well have the status of correcting a previous incomplete view of nature so as to include for example our subtler human capacities. In any event, the way 'agents' emerge naturally in this picture already serves to clarify key issues in the quantum realm, such as the postulated 'observer-participancy' of Wheeler.

References:
A Critical Point for Science: http://www.tcm.phy.cam.ac.uk/~bdj10/lectures/CUPS2008/CUPS2008_intro.html

Can the Physicists' Description of Reality be Considered Complete? http://video.google.com/videoplay?docid=7396961996151094334

Stuart Kauffmann, The Origins of Order

Steven M. Rosen, The Self-Evolving Cosmos

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