Künstliche Intelligenz (KI)

Intelligente Maschinen

In den letzten fünf Jahren haben Maschinen erhebliche Fortschritte gemacht Intelligent zu werden, aber wie weit ist es noch bis wir wirklich von Intelligenz sprechen können, wo stehen wir?

Als jemand, der eine Dissertation mit dem Titel "Einsatz von Neuronalen Netzen in der Elektronenholographie"[1] vor 25 Jahren begann und 2001 abgeschlossen hat, will ich darauf einen genaueren Blick werfen.

Die Bausteine der KI

Für künstliche Intelligenz benötigt man drei Zutaten, sehr schnelle Rechner, gute Software, sehr viele Daten.

Schnelle Rechner

Die Geschwindigkeit von Rechnern hat in den letzten Jahren, wie seit hundert Jahren, zugenommen, aber es ging in letzter Zeit etwas unauffälliger voran und das liegt am Aufbau von Computern. Gab es in der Zeit von 1980 bis etwa 2010 einen spürbare Steigerung bei der Prozessorleistung, 8086 (1980, ein MegaFlop pro Sekunde), danach 80386, Pentium, und heute Core i7[2] Prozessoren (2016 50 GigaFlops) ist das eine Steigerung um den Faktor 50.000. (Eine Ursache liegt in der Lernkurve)

Das ist aber nur die halbe Wahrheit, denn die wahre Leistung eines modernen Computers liegt in der Grafikkarte. Um Videospiele in Echtzeit, hochauflösend und realistisch zu gestalten gibt es heute Grafikprozessoren, die tausendmal schneller sind und damit in den Leistungsbereich von Gehirnen vordringen!

Schnellster Rechner auf einer Platine von Nvidia [4]

Aktuell bietet etwa die Firma Nvidia einen Rechner mit acht Tesla100 [3] Prozessoren an, der 

960 000 000 000 000 Rechnungen pro Sekunde 

durchführt [4]. Dabei ist der Computer darauf optimiert, die Datenoperationen, die für Neuronale Netze erforderlich sind, optimal abzuarbeiten. 

Gute Software

Hohe Rechenleistung ist nur nützlich einzusetzen, wenn es geeignete Algorithmen gibt, die die Daten effizient aufbereiten. Künstliche Neuronale Netze (KNN) sind seit über 50 Jahren bekannt und seit den 1970 Jahren gibt es dafür auch einen sehr erfolgreichen Trainings-Algorithmus, den Backpropagation Algorithmus zum Trainieren der KNNs. Allerdings hat 1991 der Informatiker Sepp Hochreiter, geboren 1967 in Mühldorf am Inn (Am gleichen Ort wie der Autor dieses Blogs;), gezeigt [5], dass Backpropagation bei tiefen KNN, also jenen, die besonders "schlau" werden können, versagt. 

LSTM Speicherzelle, Quelle: Wikipedia

1997 ist es dann Sepp Hochreiter gelungen eine Alternative für die Neuronen in den Netzen aufzuzeigen, die Deep Learning ermöglicht. Das Verfahren wird als Long-Short-Term-Memory (LSTM) bezeichnet und ist eine überschaubar komplizierte Erweiterung des ursprünglichen Konzepts. 

Das entscheidende an diesem Verfahren ist eine Art Gedächtnis, das es dem Computergehirn ermöglicht, sich kurzzeitig an Ereignisse zu erinnern, was etwa beim Autofahren oder Texte erkennen entscheidend ist. Die Erfolge, die man aktuell in diesem Gebiet beobachtet, gehen entscheidend auf den Einsatz von LSTM zurück.

Viele Daten

In den Tagen, zu denen ich in den ich in den 1990 Jahren KNN programmiert und trainiert habe, gab es fast keine Daten, die man für das Training verwenden konnte. Ich erinnere mich noch an einen Diplomanden, den ich betreut habe, der achttausend Datensätze für eine Analyse vorbereiten musste.

Völlig anders ist die Situation heute, Täglich werden Milliarden Bilder und Texte ins Internet hochgeladen und stehen zur Verfügung, Big Data eben.

Ein Meer aus Bildern als Datenquelle

Unternehmen, die sich darauf besonders konzentrieren, an vorderster Stelle Google, sind daher auch in diesem Gebiet erfolgreich, wie ich schon 2004 [6] prognostiziert habe.

Und tatsächlich ist es einem Computer von Alphabet (Dachfirma von Google) 2016 [7] gelungen, das sehr schwierige Brettspiel Go gegen den Weltmeister aus Südkorea zu gewinnen (AlphaGo), und nur ein Jahr später war ein Programm aus dem gleichem Hause in der Lage, von 100 Partien gegen diese künstliche Go-Maschine 100 Partien zu gewinnen, also weit jenseits der Go-Intelligenz des Menschen, zu spielen.

Der Weg zur klugen Maschine

Vergleicht man die Situation heute mit dem Stand der Technik vor 25 Jahren, dann hat die künstliche Intelligenz gewaltige Fortschritte gemacht, der Computer gewinnt in Schach (1997), in der Quiz Show "Jeopardy" (2011) und in Go (2016). Er kann leidlich gut übersetzen, Bildinhalte erkennen und zumindest teilweise, Auto fahren. Aber immer haben wir berechtigterweise das Gefühl, der Computer ist dumm im Vergleich zu uns. Doch was fehlt? Jürgen Schmidhuber hat in einem Interview vermutet, es fehlen noch fünf Zeilen Code im Programm von Sepp Hochreiter. Nur welche?

Betrachtet man das menschliche Gehirn, so ist klar, dass die Arbeitsweise eines Neurons, einer Nervenzelle im Gehirn, nicht so besonders komplex ist. Allerdings ist die Verschaltung, und auch das Training, sehr trickreich. Ein Mensch kommt fast blind, taub und stumm zur Welt, nach einigen Monaten kann er Bilder und Worte erkennen, nach einigen Jahren sprechen und nach zwei Jahrzehnten ein Studium abschließen, ist dann also Intelligent (Genauer: Hat einen Bachelorabschluss).

Was ist in der Zeit passiert? Die 100 Milliarden Neuronen (10^11) haben pro Neuron tausende Verbindungen (Synapsen) aufgebaut und jede Sekunde bis zu 100 Nervenimpulse ausgesendet. 

Alles zusammen sind das 10^11*10^3*10^2*20*365*24*60*60 = 6,3* 10^24 Rechenoperationen bis das Studium abgeschlossen ist. Gehen wir davon aus, wir würden den genauen Algorithmus kennen und die Daten in den aktuellen Rechner von Nvidia einspeisen, nach 208 Jahren hätte der Computer den Bachelor Titel. 

Das ist zumindest ein Hinweis, wo wir stehen. In 10 Jahren ist der Computer 100 mal schneller, der Bachelor Titel nach zwei Jahren geholt und der Computer ist intelligent. 

Daher die Prognose: Im Jahr 2029 ist der Computer intelligent wie ein Mensch!

Worin die Gefahren liegen, habe ich im Blog "Glück gehabt" beschrieben.

Weiter zum Thema:

• Künstliche Intelligenz mit GPT-3
• Leben Technik und Entropie

Quellen:

[1] EINSATZ VON NEURONALEN NETZEN IN DERELEKTRONENHOLOGRAPHIE Dissertation Zur Erlangung des Grades eines Doktors der Naturwissenschaften an der Fakultät für Physik der Eberhard-Karls-Universität zu Tübingen Vorgelegt von Eduard Heindl aus Mühldorf am Inn 2001

[2] Intel-Core-i-Serie, Wikipedia

[3]  Whitepaper: NVIDIA Tesla P100 The Most Advanced Datacenter Accelerator Ever Built Featuring Pascal GP100, the World’s Fastest GPU

[4] Nate Oh, NVIDIA Ships First Volta-based DGX Systems, Anandtech, September 7, 2017

[5] Sepp Hochreiter's Fundamental Deep Learning Problem (1991), Diplomarbeit bei
Jürgen Schmidhuber

[6] Eduard Heindl, Das Google Zeitalter, Vortrag im Studium Generale der FH-Furtwangen am 14. Juni 2004
[7] AlphaGo, Wikipedia

Wissenschaft an der Grenze

Aktuelle Grenzfälle in der Wissenschaft

An der Grenze zwischen Wissen und Unbekannten, dort wo uns nicht genügend Information zur Verfügung steht, passieren oft die interessantesten Dinge. In diesem Blog will ich einige Themen aufgreifen und versuchen zu verstehen, warum wir Manches nicht verstehen.

Selten und seltsam

Eine alte Geschichte und trotzdem ungelöst, der Kugelblitz. Fast das Synonym für ein Rätsel in der Wissenschaft und auch ein gutes Beispiel für einen Prototypen unverstandener Phänomene.

Ein Kugelblitz ist eine Leuchterscheinung in Form einer Kugel mit einem Durchmesser von etwa einem Meter. Das Leuchten dauert einige zehn Sekunden und dabei bewegt sich die Kugel.

Das Problem, eine derartige Erscheinung sollte es nach den bekannten Gesetzten der Physik nicht geben. Warum hat die Physik damit ein Problem? Erstens gibt eine Leuchterscheinung Energie ab, woher nimmt der Kugelblitz aber die notwendige Energie? Zweitens handelt es sich um ein kompaktes Gebilde, was hält das Gebilde zusammen? Weiterhin wird berichtet, dass der Kugelblitz durch feste Wände, Fenster oder Ähnliches dringen kann. Auch letzteres verbietet sich für "gewöhnliche" Phänomene.

Spektrum eines Kugelblitzes, Quelle: Wikipedia

Ein fundamentales Problem der Erscheinung ist, dass sie nicht in einem Labor beobachtet werden kann. Das liegt daran dass das Phänomen nicht verstanden ist und sehr selten beobachtet wird. Geht man davon aus, dass Kugelblitze mit einer gewissen Häufigkeit auftreten, so sollte die Zahl von Fotografien und Filmen in den letzten Jahren massiv zugenommen haben, analog zu vielen Bildern von Meteoriten. Aber es gibt praktisch keine überzeugenden Bilder, daher kann man vermuten, dass es zumindest nicht so viele Kugelblitze gibt, wie es Erzählungen davon gibt. Die einzige ansatzweise überzeugende Beobachtung stammt von Chinesischen Wissenschaftlern, die einen Kugelblitz zufällig mit Instrumenten gefilmt haben, die Blitze untersuchen sollten. Dort war der Kugelblitz vermutlich ein Nebenprodukt des Blitzeinschlags und des verdampfenden Erdreichs in Verbindung mit einer Hochspannungsleitung.

Ob das beobachtete Phänomen identisch ist mit den phantasievollen Erzählungen von Kugelblitzen die durch Flugzeuge schwirren und durch Fenster fliegen können halte ich für unwahrscheinlich, insbesondere war der "chinesische" Kugelblitz immerhin fünf Meter groß. Meine Vermutung ist, bei vielen Berichten über Kugelblitzen hat man es eher mit einem psychologischen Phänomen zu tun das eine Beobachtung uminterpretiert, als mit einem physikalischen Phänomen.

Experimente zur kalten Kernfusion

Wie schon mehrmals in diesem Blog "Kalte Fusion Fakt oder Fatamorgana" angesprochen, wird immer wieder Berichtet, dass Palladium zusammen mit Wasserstoff in einem Elektrolyseur Wärme entwickelt und zwar so viel, dass es nicht durch die Stromzufuhr oder die möglichen chemischen Reaktionen erklärt werden kann. 

Das Phänomen wird also im Labor beobachtet, aber es ist offensichtlich notorisch schwer zu reproduzieren. Damit hat die seriöse Wissenschaft aber ein Problem, nur reproduzierbare Phänomene können näher untersucht werden. Ein Phänomen das von den Experimentatoren berichtet wird, aber unter (scheinbar) gleichen Bedingungen in einem anderen Labor nicht auftritt, ist zumindest merkwürdig. Die Tatsache, dass es ökonomisch extrem wertvoll wäre, die kalte Kernfusion zu beherrschen, aber kein einziger Investor dort ernsthaftes Kapital eingebracht hat, lässt mich an den Beobachtungen zusätzlich zweifeln. 

Hier hat man es nicht nur mit einem seltenem Ereignis zu tun sondern mit einem Phänomen, das wertvoll wäre, der Einzige der standhaft behauptet, er könne die kalte Fusion beherrschen ist Andrea Rossi. Einmal wäre ich ihm fast begegnet, auf der Energiemesse 2015 in Abu Dhabi hatte er den Messestand neben mir gebucht. Ich war schon sehr auf die Vorführung gespannt, aber der Stand blieb leer, seine Firma mit dem vielversprechenden "Reaktor" ist nicht gekommen. Mir bleibt insbesondere nach genauer Analyse seiner Berichte nichts anderes übrig als ihn als Schwindler einzustufen.

Rätsel der Biologie: Entstehung des Lebens

Vor gut vier Milliarden Jahren ist die Erde erkaltet, kurz nachdem noch ein Planet eingeschlagen hat, infolge dessen der Mond entstand ist.

"Nur" wenige Millionen Jahre später könnte es schon die ersten biologischen Prozesse gegeben haben, zumindest hat man in Australien einen 4,1 Mrd. Jahre alten Zirkonkristall gefunden, in dem Graphit eingeschlossen ist, der eine ähnliche Zusammensetzung hat, wie man es bei biologischen Prozessen vermutet [1]. 

Das große Problem ist hier wieder, die Entstehung des Lebens ist selten, genaugenommen haben wir nur einen einzigen eindeutig nachgewiesenen Fall, eben hier auf der Erde. Zudem liegt die Entstehung mit vier Milliarden Jahren extrem weit in der Vergangenheit. Erstaunlich genug, dass man aus dieser Zeit substanzielle Fundstücke hat. Spannend ist, dass man durch das Vererben des Genoms sehr weitgehende Rückschlüsse auf die Entstehung durch Entschlüsselung der Gene ziehen kann. 

Aber der Prozess der ersten Entstehung von reproduzierenden Zellen bleibt so lange im Dunklen, solange wir nicht selbst einen ähnlichen Prozess im Labor nachbilden können oder vielleicht durch einen Fund auf einen anderen Planeten oder Mond anderes Leben finden. Dies bedeutet allerdings keinesfalls, dass die Entstehung des Lebens in Zweifel zu ziehen ist, da offensichtlich die Erde voll mit Lebewesen ist,

Die Schwierigkeit liegt in einer plausiblen Abschätzung über die Wahrscheinlichkeit, dass ein solcher Prozess des Lebens startet. Die Tatsache dass er kurz nach Erkalten der Erde einsetzte lässt eine relativ einfache Entstehung vermuten, auch wenn man einen Ozean über Jahrmillionen kochen muss, ist das auf einer astronomischen Skala ein "einfaches" Experiment. Dass er nicht im Labor mit wenigen Litern Wasser und einigen Jahren Geduld gelingt bleibt trotzdem nachvollziehbar.

Es gibt also Phänomen, die sind vorhanden, aber nicht im Labor abbildbar, das ist nicht so ungewöhnlich, man denke nur an die Kernfusion in der Sonne. Die Wissenschaft arbeitet sich in solchen Fällen an die Fragestellung durch Näherung an.  Experimente mit analogen Situationen und eine genaue Analyse der beobachteten Situation können zur Aufklärung dienen. Mit etwas Glück kann dann auch eine Reproduktion gelingen.

Fremde Welten

Jenseits unseres Sonnensystems gibt es auch Beobachtungen, aus denen sich die Wissenschaft keinen Reim machen kann, oder will? 

Es gab mehrere Versuche, Radiosignale von anderen Zivilisationen zu empfangen. Und es gibt zumindest zwei Fälle, in denen ein Signal einmal empfangen wurde, das sehr merkwürdig war, das sogenannte WOW! Signal aus dem Jahre 1977 und neuerdings ein Signal, das 2015 am Ratan-600 Radioteleskope aufgefangen wurde. 

In beiden Fällen leidet die Untersuchung daran, dass keine weiteren Signale aus der Himmelsregion kommen und somit keine Verifikation möglich ist. Wenn man weis, wie viele Radiosignale unter unterschiedlichsten Umständen auf der Erde ausgesendet werden, könnte es auch einen irdischen Ursprung geben, auch wenn versucht wird dies durch sorgfältige Signalanalyse auszuschließen.

Die letzte beobachtete große Abdunklung von Tabby's Star, die Signale haben das Verhältnis 1:2:6.

Wesentlich schwieriger ist es, das merkwürdige Abdunkeln des Sterns KIC8462852 zu verstehen. Mehr dazu in einem eigenen Blogbeitrag über Tabby's Star. Einer von 150.000 Sternen der mit dem hochpräzisen Satelliten Kepler über vier Jahre beobachtet wurde. Dabei kam es über zehn mal zu ungewöhnlichen, genauer gesagt extrem ungewöhnlichen, Einbrüchen der Helligkeit des Sterns. 

Leider ist das Weltraum-Teleskop zufällig gerade dann kaput gegangen, als die Beobachtungen am spannendsten wurde und weitere Signale sind bisher (26.9.2016) nicht gefunden worden. Der Stern ist weit weg, etwa 1400 Lichtjahre und wir sind auf die Interpretation der Signale angewiesen um entscheiden zu können, ob die Ursache gewöhnlich, etwa von Kometen, oder sehr ungewöhnlich, von einer Superzivilisation verursacht wurde. 

Was kann die Wissenschaft leisten?

Wie kann die Wissenschaft hier die Kontroversen entscheiden? Mal angenommen es gibt keinen weiteren Beobachtungen, dann muss man mit den vorhandenen Daten leben. An der Grenze von Beobachtung zur wissenschaftlichen Erklärung gibt es immer eine "Grauzone", in der es möglich ist, eine Entdeckung zu machen.

Es gibt dafür viele Beispiele, so wurde im Michelson-Morley Experiment 1887 beobachtet, dass die Lichtgeschwindigkeit fest ist, es hat fast 20 Jahre gedauert, bis Einstein das Rätsel mit der speziellen Relativitätstheorie löste. Das bedeutet nicht, dass die Experimente über 20 Jahre falsch waren, es bedeutet, dass zwischen Beobachtung und Verstehen oft eine längere Zeit liegt.

Für mich als Physiker ist die Grenzlinie zwischen Verstandenem und Unbekannten das spannendste Gebiet. In dieser "Grauzone" werden Entdeckungen, Erfindungen und Innovationen gemacht. Daher hoffe ich, dass es noch lange diese Grauzone gibt und nicht alles Schwarz-Weiss in der Wissenschaft ist.

Noch ein letztes Wort: Leider verstehen viele Menschen nicht, was diese Grauzone ist, es sollte nicht der Bereich der Pseudowissenschaft sein, die solche Fragen mit esoterischen Erklärungen füllt, sondern es sollte eine Aufforderung zum weiteren Experimentieren und Analysieren mit naturwissenschaftlichen Mitteln sein.

Auch lesenswert:

• Sieben Cluster

Quellen:

[1] Erstes Leben schon vor vier Milliarden Jahren? scinexx

Glück gehabt!

Warum große Risiken bisher selten waren

Wir leben in einer Welt, in der man mit ein wenig Chemiewissen und einen Besuch im Baumarkt eine Bombe bauen kann, die mehreren Menschen das Leben nimmt. Leider leben wir in einer Gesellschaft die Menschen hervorbringt die derartige Verbrechen auch begehen.

So schlimm diese Verbrechen sind, so wenig können Sie aber die Existenz der Menschheit ernsthaft gefährden. Dass auch eine andere Welt denkbar werde will ich hier beschreiben.

Nick Bostrom beschreibt in diesem Video Risiken für die Menschheit, 

der Vortrag hat mich zu diesem Blogbeitrag angeregt.

Der Preis einer Atombombe

Mit viel Geld kann man vermutlich einen Killer engagieren, aber der Kauf einer Atombombe erscheint nicht so einfach zu sein. Offensichtlich hat noch keine Privatpersonen eine Atomwaffe erworben und eingesetzt. Dass dies so ist, liegt daran, dass der Bau einer derartigen Waffe enorme Ressourcen erfordert und sehr auffällig ist.

Die Struktur der Gefahr

In der Natur finden extrem zerstörerische Prozesse statt. Das Feuer in unserer Sonne ist Millionen Grad heiß, kein Atom kann dort seine Hülle behalten, geschweige denn ein komplexes Molekül oder gar Leben kann dort existieren. In Galaxien gibt es Schwarze Löcher mit derart gewaltiger Energiefreisetzung, dass man sie noch in vielen Milliarden Lichtjahren Entfernung beobachten kann. Auch die Energie eines Gammabursts [1] überschreitet jegliche menschliche Vorstellung.

Es ist kein Zufall, dass wir noch nie eines dieser Ereignisse von der Nähe gesehen haben, sonst würde nämlich niemand diesen Blog schreiben oder lesen.

Vor Energiefreisetzungen im astronomischen Maßstab sind wir insofern sicher, dass zumindest bisher kein derartiges Ereignis das Leben auf der Erde in den letzten 3,8 Mrd. Jahren ausgelöscht hat, wenngleich einige Ereignisse, insbesondere der Einschlag von Kometen und Meteoriten jeweils umfangreich Arten ausgelöscht hat.

Mit Intelligenz neue Gefahren hervorrufen

Seit der Werkzeugnutzung des Menschen ist eine neue Qualität der Fähigkeiten dazugekommen, die zu einer systematischen Entwicklung von zerstörerisch wirkenden Fähigkeiten geführt hat.

Bei der Entfesselung des Feuers zur Brandrodung hätte theoretisch die Sache sehr schlecht ausgehen können. Man stelle sich eine etwas sauerstoffreichere Atmosphäre und eine etwas weniger feuchte Vegetation vor. Aus dem Versuch einer kleinen Brandrodung hätte ein globales Feuer werden können, das praktisch die gesamte zusammenhängende Landoberfläche zerstört hätte. Warum ist das nicht geschehen?

Nicht weil von Anfang an alle Feuerschutzmaßnahmen peinlich genau eingehalten wurden sondern weil wir auf einem Planeten mit natürlichen Feuerquellen leben. Blitze und Vulkan können seit Anbeginn an Feuer legen. Eine Vegetation, die damit nicht umgehen kann würde nicht existieren und daher ist unsere Umgebung in gewisser Weise „Kindersicher“, sie kann durch einfache Fehler nicht zerstört werden. 

Natürliche Entzündung eines Feuers in Lanzarote an einem Vulkangestein

Die Herstellung von „natürlichem“ Sprengstoff kann nicht erfolgen, da Substanzen, die zu einer heftige Reaktion neigen aus thermodynamischen Gründen nicht entstehen. Der Mensch hat das aber durch das Mischen von chemischen Substanzen überwunden, indem er einzelne Substanzen mit anderen Substanzen vermischt hat, die zusammen sehr wohl extrem schnell viel Energie freisetzen. Das berühmte Schwarzpulver wurde noch zufällig entdeckt und in China dann friedlich zum Bau von Feuerwerksraketen verwendet.

Im 19. Jahrhundert war dann die Chemie so weit entwickelt, dass gezielt explosive Substanzen entwickelt werden konnten, insbesondere der Dynamit, von Alfred Nobel erfunden, war ein Segen, aber auch ein Desaster in der weiteren Weltgeschichte.

Doch die Energie in einer chemischen Reaktion ist begrenzt, zunächst muss man etwa die gleiche Energiemenge in einer Chemiefabrik der Substanz zuführen um sie dann später innerhalb extrem kurzer Zeit freizusetzen. Der Aufwand der Energiegewinnung ist so groß, dass keine chemischen Sprengstoffe in Mengen existieren, die global Schaden anrichten können [2].

Eine neue Kategorie: Kernwaffen

Die Kernenergie kann pro Masse etwa eine Million Mal mehr Energie freisetzen als eine chemische Reaktion. Zudem liegen auf der Erde Elemente, namentlich Uran 235, die energetisch instabil sind vor. Das bedeutet, man muss nicht erst die Energie gewinnen, mit der dann eine Atombombe funktioniert sondern nutzt die potentielle Energie die im Kern vor seiner Spaltung liegt aus. 

Modell der ersten Atombombe, erklärt in Los Alamos von einem Veteranen

In der Natur kommen keine Kernwaffen vor, allerdings gibt es natürliche Atomreaktoren, die über Jahrtausende Energie freigesetzt haben. Ein Beispiel sind die 14 natürlichen Kernreaktoren bei Oklo in Gabun, die vor 2 Milliarden Jahren über 500.000 Jahre lang gearbeitet haben und dabei bis zu 100kW geleistet haben. (https://www.wikiwand.com/de/Naturreaktor_Oklo)

Der Bau einer Kernwaffe erfordert also ein sehr unnatürliches Auftreten von geeigneten Isotopen, das aktuell nirgends natürlich vorliegt. Würde es vorliegen, wäre es an derartigen Orten auch schon zu einer Kernexplosion gekommen, was nie der Fall war. Mit dem Bau der Atombombe hat man also „Neuland“ betreten, ähnlich zur Entdeckung des Feuers. Es bestand also die Gefahr, dass die Zündung einer Kernwaffe, insbesondere einer Wasserstoffbombe, mehr als nur die Energie des Kernwaffenmaterials freisetzt. Davor hatte Enrico Fermi bereits 1942 gewarnt, http://www.atomicheritage.org/history/hydrogen-bomb-1950

Genaue Rechnungen zeigen dann zwar, dass dies unwahrscheinlich ist, aber es ist eine ähnliche Situation wie in jenen Tagen, als die Menschheit begann mit dem Feuer zu experimentieren. Es kann sehr wohl sein, dass mehr Energie freigesetzt wird, wie die Energie die in dem Holzstapel enthalten ist, den man für das Feuer gesammelt hat. Ein (begrenzter) Waldbrand ist sehr wohl möglich.

An dieser Stelle ist unklar, inwiefern die USA oder später die UDSSR den Test von Wasserstoffbomben unterlassen hätten, wenn das Risiko einer globalen Kettenreaktion nicht ausgeschlossen werden hätte können. An dieser Stelle hat die Menschheit vermutlich nur Glück gehabt.

Technisch ist der Bau einer Atombombe zum Glück derartig komplex, dass man zumindest ein Staat von der Größe und Wirtschaftskraft Nordkoreas sein muss um alle Komponenten zusammenzustellen. Der kritische Pfad besteht im Anreichern von U235. Wäre die Menschheit schon vor drei Milliarden Jahren auf dem Planeten gewesen, zu einer Zeit als es noch reichlich U235 gab (etwa 5% statt der heutigen 0,7% im Uranerz) wäre der Bau einer Atombombe wesentlich einfacher gewesen. Eine Zivilisation hätte sich dann immer wieder zerstört, wenn einfache „Terroristen“ wieder ausreichend Atombomben eingesetzt hätten. Dies ist natürlich hochspekulativ, solle aber zum Nachdenken anregen.

Wir hatten also bisher Glück, weil:

• Chemische Reaktionen begrenzt Energie freisetzten
• Nukleare Reaktionen energetisch sehr schwer zu zünden sind
• Nukleare Reaktionen zufällig keine globale Kettenreaktion auslösen können

Zukünftige Gefahren

Die Tatsache, dass es bisher immer noch gut gegangen ist, wie der Kölner sagt, bedeutet nicht, dass dies ein Naturgesetz ist. Mit jeder weiteren Fähigkeit die die menschliche Zivilisation erlangt, kann sie Grenzen überwinden, die natürlich noch nie überwunden wurden.

Einige Aktuelle Entwicklungen will ich dazu kurz ansprechen:

Supervirus

In den Genlabors könnte ein Virus entwickelt werden, der alle Menschen ansteckt und damit in kurzer Zeit die gesamte Menschheit dahinrafft. Ich halte einen derartigen Virus für sehr unwahrscheinlich, da auch die bisherigen Viren, die seit Jahrmilliarden durch die Evolution optimiert wurden, keine globale Vernichtung ermöglichten. Das liegt an den unterschiedlichen Menschen, die aufgrund des sehr trickreichen Immunsystems nie alle erkranken. Wenngleich manche Erreger, man denke nur an die Pest, unendliches Leid mitbrachten.

Auch die Tatsache, dass es uns nicht gelungen ist, das „endgültige“ Mittel gegen Bakterien zu entwickeln, lässt mich an die Vitalität der Natur glauben.

Superbeschleuniger

Mit dem Einschalten des Large Hadron Colliders (LHC) am CERN in Genf wurden Befürchtungen geäußert, ein Schwarzes Loch könnte in dieser Anlage entstehen und dann alles in sich verschlingen. Die Sorge ist unbegründet, wenn man weiß, dass in der Kosmischen Strahlung Partikel mit bis zu 10E21eV Energie auftreten, das ist das Milliardenfache der Energie als im LHC, dort werden maximal 7E12eV erreicht, können.

Da aber noch nie in unserer Umgebung die Entstehung eines Schwarzen Lochs oder eines anderen obskuren vernichtenden Teilchens beobachtet wurde, konnte man sicher sein, dass es zu keiner gefährlichen Nebenwirkung bei der Erforschung der Natur mit diesem Experiment kommt.

Superintelligenz

Mit der Entwicklung der Künstlichen Intelligenz (KI) tut sich ein weiteres Feld auf, mit dem sehr wohl auch katastrophale Risiken verbunden sein könnten. Nick Bostrom hat in seinem Buch „Superintelligenz“ ein Szenarium entwickelt, das sehr ungünstig für die Menschheit ausgehen könnt. Die Grundidee ist dabei folgende: In einem Labor wird eine Software entwickelt, die echte Intelligenz wie ein Mensch hat. Diese Software versucht dann durch selbsständiges Lernen, ein Vorgang den man bei KI Systemen immer nutzt, sich zu verbessern. Im nächsten Schritt bricht die Software aus dem System aus und übernimmt andere Computer die im Internet angeschlossen sind. Bekanntlich sind das inzwischen Milliarden von Rechnern. Da Intelligenz wesentlich durch die Rechenkapazität begrenzt ist, könnte das System in kurzer Zeit, und hier sind Stunden gemeint(!), die Rechnerwelt unbemerkt, wie ein Computervirus, besiedeln.

In dieser Phase, wenn das System einen IQ hat der vielleicht tausend Mal größer ist als der eines Genies, könnte das System durch geschickte Manipulation von Fabriken (Industrie 4.0!) die „Störquelle“ Mensch ausschalten.

Wir wissen weder, ob es das Phänomen Superintelligenz gibt, aber die Fähigkeiten einer Suchmaschine wie Google hätte man vor 30 Jahren auch für unmöglich erachtet, noch wissen wir irgendetwas über die Wünsche und Pläne einer Superintelligenz die sich selbst optimiert.

Ob wir auch in diesem Fall wieder Glück haben ist schwer einzuschätzen. Laut Nick Bostrom liegen die Chancen bei 50:50.

Ein Naturgesetz das uns vor unseren Fähigkeiten schützt gibt es jedenfalls nicht.

Zum Thema

• Coronavirus Pandemie

Anmerkungen

[1] Gammaburst ist ein noch nicht ganz verstandener Energieausbruch, dabei kann in weniger als einer Sekunde mehr Energie freigesetzt werden, als die Sonne in 100.000 Jahren freisetzt. Quelle: https://www.wikiwand.com/de/Gammablitz


[2] Ich will hier in keiner Weise einen konventionellen Krieg verniedlichen, aber wir müssen festhalten, dass konventionelle Kriege die Menschheit nicht ausgelöscht haben und das auch nicht können.

Grenzen der Erkenntnis

Was wir nicht wissen können

Für die Menschen gibt es Grenzen der Erkenntnis. Doch wo liegen die wirklichen Grenzen, die zu überschreiten niemals möglich sein wird?

Zuerst sollte man sehr vorsichtig sein, endgültige Grenzen festzuschreiben, aber es ist trotzdem hilfreich, einige Grenzen zu betrachten, über die wir nach dem Stand der Physik niemals hinausgehen können. Diese will ich kritisch betrachten.

Die Grenzen unserer Welt

Die Vergangenheit

Geht man in der Zeit zurück, dann kann jeder bis in seine eigene Kindheit zurücksehen, das sind wohl maximal 100 Jahre. Das Davor kennen wir nur von anderen Beobachtungen und Erzählungen. Aus der Physik und den Beobachtungen der Astronomie kann man sehr genau einen Zeitpunkt rekonstruieren, der am absolutem Anfang unseres Universums stand. Es ist der Urknall, ein Ereignis, in dem bei unendlich hoher Temperatur unser Universum seinen Anfang nahm. Die beste Einschätzung sagt, dass dieser Zeitpunkt 13,798 ± 0,037) Mrd. Jahre zurückliegt [1]. 

Da es zum Zeitpunkt des Urknalls unendlich hohe Temperaturen gab, ist alle Information, die davor existiert haben könnte, vernichtet. Erstaunlicherweise besitzen wir aber für einen Zeitpunkt, der nur 0,000 000 000 000 000 000 000 001 nano Sekunden nach der Geburt des Universums liegt, bereits Informationen, Siehe folgende Abbildung.

Erstes Bild des Universums, sehr kurz nach dem Urknall, Bildquelle: Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics

Das Erste Bild, wenn auch noch unscharf, soll die Störung der Quantenfelder durch Gravitationswellen darstellen. Wie die Welt eine Nanosekunde früher ausgesehen hat, werden wir nie auf einem Bild sehen, es ist allerdings nicht auszuschließen, dass es schlüssige Theorien geben wird, die die Ursache des Urknalls erklären. Allerdings bin ich mir sicher, dass darin das Wort "Gott" nicht vorkommen wird.

Die Zukunft

Auch wenn jeder halbwegs fähige Sciencefiction-Held in die Zukunft reisen kann, so wird uns diese Form der Reise auch in Zukunft verboten bleiben. In der heutigen Vorstellung würde ein sehr fundamentales Problem, das der Kausalität, völlig zerstört. Die berühmte Frage, könnte ich durch eine Zeitreise Ereignisse beeinflussen, und bereits etwas zu sehen ist eine massive Einflussnahme in der Quantenphysik, führt auf paradoxe Probleme. 

Es liegt daher in unserer Logik, dass eine Zeitreise, die eine Kommunikation mit der Vergangenheit ermöglicht, unmöglich ist. Wir werden also weiter gemeinsam eine Zeitreise durchleben, allerdings synchronisiert. Genaugenommen über den Ereignishorizont synchronisiert, für alle die mit der Relativitätstheorie argumentieren.

Allerdings gibt es eine Theorie, die Vielweltentheorie nach Hugh Everett, die keine Kausalität erfordert, allerdings auch keine Kommunikation erlaubt und ohne Kommunikation ist es eben langweilig.

Entfernung

Wie weit kann man eigentlich sehen? Mit bloßem Auge kann man in der Nacht die Andromeda Galaxie sehen, und die ist 2,5 Millionen Lichtjahre entfernt. Das ist aber nicht das Ende des Universums, denn mit Teleskopen kann man erheblich weiter hinausschauen. 

Die Andromeda Galaxie, das entfernteste Objekt, das man mit bloßem Auge sehen kann.

Das Limit für Teleskope liegt dort, wo das Licht vor 13 Milliarden Jahren gestartet ist, also zu Beginn des Universums. Die Orte die man dabei sieht haben sich von uns wegbewegt, da es eine Expansion des Universums gibt, diese Orte liegen heute 42 Milliarden Lichtjahre weit von uns entfernt. Alle Orte, die noch weiter entfernt sind, liegen hinter einem unüberbrückbaren Horizont, jenseits dem wir niemals etwas sehen können.

Quantenmechanik

Auch in der Richtung von kleinen Strukturen gibt es eine Grenze, die nicht in der gleichen Art erscheint, wie wir es aus dem Alltag gewohnt sind. Die Quantenmechanik besagt, dass verschiedene Größen, wie Ort und Impuls, nur bis zu einem kleinstem Wert, dem Planckschen Wirkungsquantum, h = 6,6 E-34Js, genau gemessen werden können. Es gibt also nicht das Kleinste, sehr wohl aber das genaueste, eine Unsicherheit der Messung bleibt immer vorhanden. 

Im Alltag mag das wenig stören, aber für viele Vorgänge, die inzwischen für die Geräte des Alltags eine große Rolle spielen, angefangen beim Smartphone, spielt das eine erhebliche Rolle und beschränkt uns immer in der Verkleinerung. Kleiner wie Atome geht eben nicht, um es vereinfacht zu sagen.

Grenzen der Innovationen

Obwohl uns die Welt in eine merkwürdige Box eingesperrt hat, können wir uns zumindest in dieser Box frei bewegen und uns viele spannende Sachen ausdenken und umsetzen. Insofern stellt die Box keine schreckliche Einengung dar, andererseits ist es schon ein komisches Gefühl, Gefangener in dieser Welt zu sein.

Diese Betrachtung habe ich ohne viel Hintergrundliteratur angestellt, sollte jemand das "Box"-Problem besser aufbereitet haben, freue ich mich über Hinweise.

Auch lesenswert:

• Die Sieben Cluster des Weltalls
• Zeiteinheiten

Quellen:

[1] Planck 2013 results, arXiv:1303.5062v1 [astro-ph.CO] 20 Mar 2013

Byte pro Quadratmeter

Wie viel Daten gibt es?

Auf der Welt gibt es eine Speicherkapazität von 3000 Exabyte [1].

Das ist eine Zahl, die kann sich kein Mensch vorstellen. Daher ein Versuch das in die Zone der Vorstellungskraft zu schieben. 

Die feste Erdoberfläche hat eine Größe von 150 Millionen Quadratkilometer, das kann man auch als 150 Mkm² schreiben. Oder mit der schönen Einheit Tera (T) ausgedrückt erhält man eine Erdoberfläche von 150Tm². Das bedeutet, fünf aktuelle Festplatte, mit je 4TByte oder, in Bit Ausgedrückt, 32TBit, haben mehr Speicherkapazität in Bits als die Erdoberfläche Quadratmeter hat!

QR-Code

Inzwischen ist es ja üblich geworden, Information mit QR-Code zu speichern. Dabei wird ein Blatt mit schwarz/weis eingefärbt. Das könnte man auch mit der Erdoberfläche machen. Wieviel Daten kann man damit speichern?

QR-Code

Wenn jedes Kästchen (Bit) des QR-Code eine Fläche von 1mm² hat, so kann man auf einem Quadratmeter 1MBit Speichern, auf der gesamten Erdoberfläche kann man dann 150EBit speichern. Das ist deutlich weniger als die weltweite Speicherkapazität. Man muss schon 320Bit pro Quadratmillimeter speichern um die weltweiten Daten auf die Erdoberfläche zu drucken, das geht mit einem guten Drucker, aber die Kästchen haben weniger als 0,1mm Kantenlänge!

Extrem dichte Speicher

Die Speicherung derart großer Datenmengen gelingt nur, da wir heute über Festplatten verfügen, die auf unvorstellbar kleiner Fläche die Daten speichern. 

Ich hoffe damit ist klar, dass die Datenmenge auf der Erde eher unvorstellbar beleibt.

Quellen:

[1] Heise, Marktforscher: Weltweiter Speicherplatz verdreifacht sich bis 2017

Die Erfindung Gott

Alle Jahre wieder

Sieht man in den Kalender, dann sticht der 24. Dezember heraus, Weihnachten. Die Geburt eines Gottes?

Das sollte man genauer betrachten.

Wir Menschen leben auf einem Planeten, den wir in jedem Winkel erforscht und fotografiert haben, das war vor 2012 Jahren noch anders, niemand hatte die Welt bereist. Doch auch in diesen Tagen haben Menschen über ihr Dasein nachgedacht. Woher kommen sie, wohin gehen sie, jenseits der kleinen bekannten Welt.

Kennen wir die Welt

Unser kleiner Planet wurde von Kopernikus aus der Mitte der Welt gerückt, die himmlischen Sphären, aufgespannt von den Planetenbahnen, wurden etwas umsortiert.

Die Sonne ist Teil der Milchstraße, Hubbel hat das im 20. Jahrhundert für uns entdeckt, eine Sonne von 100 Milliarden Sonnen in unserer Milchstraße, und unsere Milchstraße eine Galaxie unter 100 Milliarden Galaxien. Keiner von uns ist je durch die intergalaktischen Räume gereist. Und keiner wird je so weit reisen, unsere Naturgesetze erlauben es nicht.

Unsere Naturgesetze?

Unsere Naturgesetze sind die Gesetze, die wir durch mühsames Beobachten entschlüsselt haben. Noch nicht vollständig, aber eine gewisse Vorstellung was in unserem Universum Gesetz ist haben wir vermutlich schon. Unser Universum hat eine merkwürdige Eigenschaft, es erlaubt Leben und es erlaubt Lebewesen mit Selbstreflektion. Dabei würden kleine Änderungen der Gesetze und der Naturkonstanten schnell zu Universen führen, die kaum die Chance einer selbstorganisierten Informationsverarbeitung erlauben. Und damit wären es auch nicht mehr unsere Gesetze.

Die Tatsache, dass es wohl bereits in unserem Universum selten zu Leben kommt, kann uns vermuten lassen dass es in anderen Universen wesentlich stiller ist, "Stille Nacht".

Anthropozentrischer Gott

Für die Entwicklung der Kultur ist der Kult wichtig. Nur wer nicht nur an die eigene Ernährung und Vermehrung denkt, denkt an anderes. Kult ist ein Speicher für Information, der kulturelle Informationsspeicher hebt die Kultur die Kult betreibt auf eine Stufe höherer Organisationsfähigkeit, damit verbesserter Ernährung und letztendlich Vermehrung.

Diese eigenartige Rückkopplung ist die tieferliegende Ursache, dass ein Gott in unserer Kultur ernst genommen wird, obwohl er offensichtlich selten gesehen wird. Dieser Gott ist ein Abbild unserer Kultur, bis hinein in die Kunst, die Gott dem Menschen ähnlich darstellt, damit auch Ursache der Kultur. 

Aber in unserer Zeit, der Zeit der elektronischen Bilder wird Sein Bild nicht aufgezeichnet, Gott wird Abstrakt, er hat Fähigkeiten, Gefühle aber wir haben kein Bild mehr von Ihm.

Der wissenschaftliche Gott

Wer hat unser Universum erschaffen, offensichtlich ist unser Universum für uns Menschen gemacht, wie das Paradies, wenn auch nicht ganz so nett. 

Eine Argumentationskette geht in diese Richtung, alle Naturkonstanten optimal, also ist das Universum präzise für uns gebaut, erstaunlich genau, Wunder!

Doch diese Kette hat eine sehr schwaches Glied. Der große Kreator muss sich das ausgedacht haben. Damit hat er eine Möglichkeit zur Informationsverarbeitung, die unser Gehirn sicher übertrifft. Wir haben unser Gehirn im Lauf der Evolution erworben und mit Wissen im Lauf unseres Lebens gefüllt. Beides Prämissen, ohne die das nicht funktionieren kann. Jeder weiß, wie mühsam der Wissenserwerb geht, insbesondere benötigt man dafür Sinne für die Welt, wer keine Welt hat kann kein Wissen erwerben, und ohne Wissen ist ein Gehirn nutzlos. 

Allwissende Eltern

Setzt man Gott an den Anfang, dann hat man einen weiteren menschlichen Fehler gemacht, wir haben nie bemerkt, wie wir bewusste, denkende Menschen wurden, daher haben wir das als gegeben vorausgesetzt. Insbesondere haben wir immer unseren klugen, nahezu allwissenden Vater (oder/und Mutter) gesehen. Dieser Irrtum ist allen Menschen zutiefst eingeprägt, unsere Umgebung suggeriert uns, jeder Mensch ist klug, niemand ist ein totaler "Kasper Hauser". Doch der von uns gedachte Gott ist der totale Kasper Hauser, totaler als man sich das je vorzustellen wagt.

Wunder der Welt

Das Universum ist im wahrstem Sinn ein Wunder, ich wundere mich, wie es in die Welt kam, aber ich versuche es zu verstehen. Eine Erklärung muss zumindest im Grundsatz nachvollziehbar sein, die Hypothese Gott ist es für mich nicht.

Und bald erzähle ich meinen Söhnen wieder die schöne Geschichte, die so gut zu uns Menschen passt und meinen Sohn glauben lässt, dass es ein Wunder gibt, bis er sich wundern wird, warum das alles doch nicht so einfach ist, wie man auf den ersten Blick glauben will.

Frohe Weihnachten und ein gutes neues Jahr!  

  

Nachricht aus der FAZ

Der deutsche Aktienmarkt ist am Dienstag mit leichten Gewinnen in den Handel gestartet. „Es ist wie ein Münzwurf“ - Es könn sein, dass sich der Markt stabilisiere, es könne aber auch sein, dass es weiter nach unten gehe,... (faz.net vom 3.3.2009)

In der Informationstheorie besteht die Information in einer Nachricht aus dem Überraschungseffekt. Die Aussage: "wie ein Münzwurf" ist daher keine Information, nur die ehrliche Erklärung, dass man, wie immer, keine Ahnung hat und natürlich auch nicht haben kann. Andernfalls wären die Redakteure ja schon längst mit Aktien reich geworden.

Innovation? Nein, nur der Versuch der faz jeden Tag etwas auf die Website zu schreiben.