De natuurkundige schaduw van de menselijke geest

de Volkskrant, Wetenschap, 19 november 1994 (pagina 15)
MARTIJN VAN CALMTHOUT

Roger Penrose weigerde zich neer te leggen bij de opvatting dat de menselijke geest een soort computer is. Op basis van het fenomeen 'niet-berekenbaarheid' toont hij in zijn nieuwste boek aan dat zich in de hersenen quantumprocessen afspelen waar een rekenmachine met zijn pet niet bij kan.

(foto)

Roger Penrose: 'Er zijn tal van situaties waarin een computer nooit een antwoord zal vinden, terwijl een mens in een oogopslag klaar is.'

VIJF JAAR geleden had Roger Penrose een even harde als heldere boodschap voor wie in kunstmatige intelligentie gelooft: we hebben geen fysische theorie die kan verklaren hoe het menselijk brein werkt. Laat staan dat we zoiets met een computer kunnen nabootsen. Zijn boek, The Emperor's New Mind, werd een enorme bestseller, ook al moest de Britse mathematisch fysicus het antwoord schuldig blijven op de vraag hoe het dan wčl zit.

En nu ligt er Shadows of the Mind, een lijvig boek waarin het begin van een radicaal nieuwe fysische theorie over het bewustzijn wordt gepresenteerd, waarvan zo kort geleden nog geen spoor aanwezig leek te zijn. Goeddeels gebaseerd op suggesties van een zekere Stuart Hameroff over de cruciale rol die het skelet van zenuwcellen, opgebouwd uit zogeheten microtubules, daarin speelt.

Stuart Hameroff? Het is dat een anesthesioloog uit Tucson, Arizona, geregeld met die naam in de vakbladen voor anesthesiologen publiceert, anders zou je kunnen vermoeden dat Penrose hem hoogstpersoonlijk verzonnen had.

Roger Penrose, geknepen pretoogjes, een bijna fręle, jongensachtige gestalte die bij de meesten net tot schouderhoogte reikt, kan zich de gedachte voorstellen. 'Ik kreeg die lange brieven uit Tucson en ik had maar één gevoel: bestaat this guy Hameroff eigenlijk wel en bestaat er zoiets als microtubules? Is dit geen misselijke grap, vijanden genoeg immers?

'Maar ik heb de man in Oxford ontmoet en we hebben een paar uur gepraat. Het was volstrekt serieus, al was het bepaald niet mainstream, wat we elkaar te zeggen hadden. En naarmate ik meer van microtubules begreep, raakte ik er sterker van overtuigd dat dit was wat ik had gezocht. Laat ik zeggen: voor het eerst was er een behoorlijke kans dat ik mijn ongemak op orde kon krijgen.'

Als student in Cambridge had de briljante en ambitieuze Roger Penrose al een gekmakende haat-liefdeverhouding met het menselijk bewustzijn. Hij weigerde aan te nemen dat er zoiets als een ziel bestaat buiten de fysische werkelijkheid. Maar wat dan?

Met iets van vertedering: 'Ik deed in die tijd onhandige pogingen om een rekensysteem te vinden dat al dat lastige denkwerk in de wiskunde overbodig zou maken. Maar ik liep voortdurend vast en ik begon te vermoeden dat er ergens een regel moest zijn die zoiets ook verbood of uitsloot. Eigenlijk kwam het helemaal niet als een grote verrassing dat die regel, de stelling van Gödel, er inderdaad was.'

In de wiskunde is aan te tonen dat er stellingen bestaan waarvoor geen bewijs is af te leiden uit een verzameling basisregels, maar die toch overduidelijk waar zijn. Hoe weet een wiskundige, een mens van vlees en bloed, dat? En kan een machine dat ook? Hoe kan een brein dat werkt volgens bekende fysische principes informatie produceren die er niet in is gestopt? De piepjonge Penrose besloot dat er nog onbekende fysische fenomenen een rol spelen in ons hoofd.

Dat was toen al geen alledaags standpunt. De opkomst van de digitale computer was in volle gang. Aanvankelijk heette zo'n rekenmachine een kunstmatig brein. Maar gaandeweg, met het groeien van de rekenkracht en de snelheid van informatieverwerking, leek het omgekeerde steeds meer waarheid te bevatten: het brein leek in essentie een computer. Een heel ingewikkelde computer weliswaar, maar in principe gebeurde er niets dat niet in een digitale computer zou kunnen worden nagebootst.

Midden jaren tachtig, Penrose had er al een heel leven op zitten als de wiskundige fysicus die samen met Hawking baanbrekende inzichten in de aard van zwarte gaten had geformuleerd, zag hij de Amerikaanse computer-goeroe Marvin Minsky in een BBC-programma.

Penrose: 'Het was ongehoord wat daar gebeurde. Minsky beweerde zonder blikken of blozen dat ons brein niet alleen een inferieure versie is van de ideale digitale computer, maar zelfs dat die ideale computer al binnen handbereik was. Kennelijk wilden of konden zelfs vooraanstaande computerexperts niet inzien dat ze van volstrekt foute ideeën uitgaan.'

Penrose besloot dat het project dat eigenlijk tot na zijn emeritaat had moeten wachten - een boek dat alle bekende natuurkunde moest bestrijken - in hemelsnaam dan maar nu meteen in de steigers moest. 'De kwestie van de kunstmatige intelligentie gaf er plotseling richting aan.'

Zo ontstond The Emperor's New Mind, een zeshonderd pagina's tellende pil waarin hij nu en dan bijna wanhopig probeerde de zaken echt op een rijtje te zetten. Waarin de computer definitief iets anders moest blijken te zijn dan de menselijke geest.

Niets bleef de lezer daarbij bespaard. De theorie van de Turing-machines, de geďdealiseerde rekenmachines waarmee Alan Turing in de jaren vijftig de informatica had gegrondvest. Uiteenzettingen over de stelling van Gödel, het zuiverste voorbeeld van het idee dat een wiskundige altijd stellingen kan vinden die niet zijn te bewijzen of weerleggen. Grote delen van de quantummechanica. Algemene relativiteitstheorie. Zwarte gaten. Stringtheorie. Chaos.

Penrose zucht. 'The Emperor was een aanval waarop ik nog steeds trots ben, maar wel zonder dat ik een alternatief kon bieden. Dat maakte het kwetsbaar voor kritiek. Er zijn veel mensen geweest die het boek niet goed begrepen bleken te hebben, maar wie het doorzag, wist ook wat er ontbrak. Dat mijn gehamer op een nieuwe fysica voor het brein nog geen nieuwe fysica opleverde.'

IN ZIJN NIEUWE boek is die natuurkunde van het brein er, al is het nog maar in grove trekken, wel. Penrose is op zoek naar de oorsprong van een fenomeen dat niet-berekenbaarheid heet. In de wiskunde zijn er tal van zulke situaties, waarin een computer nooit een antwoord zal vinden, terwijl een mens in één oogopslag klaar is.

Is er, bijvoorbeeld, een oneven som van twee even getallen? Stug doorrekenen helpt hier niet, omdat de computer niet beseft wat hij doet. Een mens die aan het rekenen slaat, zal van lieverlee uit verveling echt nadenken en inzien dat elk even getal valt te schrijven als tweemaal de helft
. De som van twee even getallen is ook te schrijven als tweemaal de helft, dus is die som even. En even is nooit oneven. Quod erat demonstrandum.

'Dat een mens dat inziet is een wonder, dat niet verklaard wordt door de complexiteit van de berekeningen in ons hoofd. We kunnen met niet-berekenbare problemen overweg doordat onze hersenen iets heel anders doen dan zuiver rekenen. En voor het eerst beginnen we een idee te krijgen wat ze dan misschien wel doen.'

- Hoe kan dat, als in de moderne natuurkundige theorieën geen enkel verschijnsel bekend is dat je niet-berekenbaar zou kunnen noemen?

'Omdat die theorieën niet deugen, of op zijn minst niet volledig zijn. Met name de quantumtheorie is veel problematischer dan de meeste theoretici willen toegeven.'

- De best getoetste theorie die ooit is opgesteld?

'Voor experimenten op deeltjesniveau, ja. Maar op grotere schaal is de theorie overduidelijk fout. Je moet jezelf in buitengewoon vreemde en nauwkeurig voorgeschreven bochten wringen om te geloven dat het ook daar deugt.'

- Moet de quantumtheorie dus op de helling?

'Zeker. De laatste decennia is er immens veel werk gedaan aan het samenbrengen van de basistheorieën van de materie. Daarbij gaat men ook uit van de onwrikbaarheid van de quantumtheorie. Ik denk dat de manier waarop de theoretici vastlopen bij pogingen om de theorie te verbinden met de gravitatietheorie, aangeeft dat we bereid moeten zijn alles op de helling te zetten.'

- Maar zwaartekracht zal toch geen rol spelen in onze hersenen? Dat is meer iets tussen planeten en sterrenstelsels.

'De verbinding impliceert dat we ook beter zullen begrijpen waarom de quantumtheorie ogenschijnlijk absurde resultaten kan geven
. Schrödingers kat is daarvan nog altijd een krachtig voorbeeld. Stop een kat in een dichte doos met een capsule blauwzuur, die open gaat als een bepaald radioactief atoom vervalt. De quantumtheorie zegt dat dat atoom bestaat in een superpositie van twee toestanden, vervallen en niet-vervallen. De meeste fysici weigeren echter te geloven dat daardoor ook de kat tegelijkertijd levend en dood is. Ik denk dat we dat niettemin serieus moeten nemen. Net als het atoom heeft ook de kat een instabiliteit en een kans te vervallen.'

- En wat heeft die kat met ons brein te maken?

'Ik zoek een verschijnsel dat niet-berekenbaarheid de baas kan, precies zoals de willekeur van het quantumniveau op grotere schaal plotseling verdwijnt. Stel nu eens dat de schakeltijd van de hersenen iets te maken heeft met het vervallen van macroscopische quantumtoestanden van een of ander object in de hersenen. Dan kun je uitrekenen hoe groot de objecten zijn die daarbij betrokken zijn.


'Microtubules, de holle buisjes van eiwitten waaruit celskeletten zijn opgebouwd, zijn dan een goede kandidaat. In de spiraalsgewijs gestapelde eiwitten in de wand kunnen simultaan twee collectieve toestanden bestaan die je in een macroscopisch quantumeffect wilt hebben. Die dingen werken in mijn idee als een versterker van het quantumniveau naar de meetbare buitenwereld.'

- Maar de hersenen werken op lichaamstemperatuur. Alle bekende grootschalige quantumeffecten, supergeleiding bijvoorbeeld, treden alleen op bij heel lage temperatuur.

'De recente geschiedenis van de supergeleiding geeft precies aan dat in bepaalde gevallen juist wel bij hogere temperaturen iets te verwachten is. Microtubules zijn nagenoeg volkomen geďsoleerd van hun omgeving, zo is in elk leerboek over celbouw na te slaan. Een beetje zoals de geleiding in nieuwe, warme supergeleiders in afgeschermde vlakken in het kristalrooster optreedt.'

- Als in die microtubules macroscopische quantumeffecten optreden die de oorsprong van ons bewustzijn vormen, wat is dan de functie van de hersencellen?

'Wat je op een hersenscan ziet, is de elektrische activiteit van hersencellen. Die neuronen zijn wel degelijk belangrijk, maar hun activiteit is letterlijk een shadow of the mind, een schaduw van de geest. Microtubules reguleren de mate waarin hersencellen signalen aan elkaar doorgeven, en dus de manier waarop informatie door het netwerk van cellen wordt verwerkt. De hersencellen vormen de rekenmachine, maar de werking wordt voortdurend door de menselijke geest bijgesteld.'

- U berekent dat microtubules de hersenen, naar schatting 1011 zenuwcellen, nog eens tien miljard keer zo complex maken. Is dat niet al genoeg rekenkracht om de vermogens van de menselijke geest te verklaren?

'Om precies te zijn, was dat de opmerking waarmee Hameroff me destijds benaderde. Maar ik zie niet in hoe complexiteit plotseling een ghost in the machine kan baren. In Gödels argumentatie doet de machine er helemaal niet toe, het gaat om het principe. Ik schreef Stuart dus dat hij in mijn ogen wat conservatief tegen de zaak aankeek. Hij was verbaasd. Hij was in zijn leven al voor heel wat uitgemaakt, maar nog nooit voor conservatief.'

- En u? Is het niet buitengewoon conservatief om niet te willen aannemen dat het menselijk brein een computer zou kunnen zijn?

'O, vast, en er steekt ook wel iets van de eer van een intellectueel in. Maar ik moet gaan waar de argumenten me voeren. Er is iets fundamenteel mis met het beeld van bewustzijn op basis van rekenen volgens vaste regels alleen.
Maar natuurlijk is de computer ook een onsympathiek ding om je mee te identificeren. Computers zijn handige maar domme apparaten die antwoorden geven, maar geen inzichten bieden.'

- Zo geformuleerd is het weer een heel modieus standpunt.

'Nou, doorgaans voel ik me niet lekker in modieus gezelschap. Ook in mijn werk niet. Mode-onderwerpen leiden tot een concurrentiestrijd die mij verlamt. Ik kan onder zulke druk niet denken. Ik werk altijd strikt langs mijn eigen lijnen en constateer hooguit later dat ik medestanders en tegenstanders heb.'

- U behandelt het bedrijven van wiskunde voortdurend als het summum van het menselijk bewustzijn?

'In die zin, dat er geen ander terrein is waar het redeneren zo overzichtelijk is dat je ook over het redeneerproces zelf iets kunt zeggen. De meeste mensen vinden wiskunde ingewikkeld, maar wiskunde is vooral moeilijk doordat het juist zo eenvoudig is. Sociologie is een veel complexer vakgebied, wat ook de reden is dat er zo weinig vooruitgang wordt geboekt. En wat betreft de vermeende emotieloosheid van de wiskunde, kan ik alleen maar voor mezelf spreken: iets waterdicht doorgronden, is een diepe emotie, die te maken heeft met esthetiek en met bijna religieuze gevoelens.'

- Precies de dingen die een computer nooit zou ervaren, ook al bewijst hij misschien op een goede dag hetzelfde als de wiskundige Penrose?

'Verreweg de meeste tijd gaat zitten in het ontwikkelen van een gevoel voor wat klopt en niet klopt. Die ondergrondse stroom gaat altijd door. Of ik nu achter mijn bureau zit of op straat loop, en dat is ook waarvan ik het meest houd: de intuďtie die je bespringt. In dat opzicht zijn eventuele antwoorden eigenlijk nog minder belangrijk dan het zoeken ernaar.'

Martijn van Calmthout