Während klassische Computer konstruiert sind, erscheinen natürliche Systeme zunächst nicht als Rechner. © Unsplash/Hal Gatewood
Rechnen nicht nur Laptops und Smartphones, sondern auch Zellen, Gehirne oder chemische Reaktionen? Eine neue Studie des Complexity Science Hub (CSH) und des Santa Fe Institute (SFI) liefert einen theoretischen Rahmen, um genau diese Frage systematisch zu untersuchen.
Die im Fachjournal Journal of Physics: Complexity veröffentlichte Arbeit schlägt Kriterien vor, mit denen sich bestimmen lässt, ob – und was – ein beliebiges dynamisches System „berechnet“.
Wann gilt ein System als rechnend?
Während klassische Computer konstruiert sind, klar definierte Eingaben verarbeiten und eine berechenbare Ausgabe liefern, erscheinen natürliche Systeme zunächst nicht als Rechner. Dennoch folgen auch sie bestimmten Dynamiken, verbrauchen Energie und transformieren Zustände.
„Andere Computer erkennen wir hingegen nicht so leicht“, erklärt Studienautor Jan Korbel vom CSH. Ob Zellen, Gehirne oder Flüssigkeitsströmungen rechnen, sei bislang schwer eindeutig zu fassen. Zwar argumentierten Forschende seit Langem, dass natürliche Systeme als eine Art „nicht konstruierte“ Computer verstanden werden können. Doch es fehle ein präziser formaler Rahmen, um diese Annahme zu überprüfen.
Genau hier setzt die Studie an.
Formale Kriterien für „Berechnung“
„Die Frage ist, wie man formal eine Reihe von Kriterien definieren kann, mit denen sich bestimmen lässt, welche Berechnung(en) ein beliebiges dynamisches System ausführt“, sagt Studienautor David Wolpert vom SFI.
Die zentrale Idee: Ein System kann dann als rechnend gelten, wenn sich sein Verhalten mathematisch so beschreiben lässt wie das eines Computers. Es geht dabei nicht um Bewusstsein oder Absicht, sondern um eine formale Zuordnung von Eingabe, Verarbeitung und Ausgabe.
Damit ließen sich „konstruierte“ Computer – etwa Laptops – und „nicht konstruierte“ natürliche Systeme unter einem gemeinsamen theoretischen Dach vergleichen.
Chemische Reaktionen als Computer
Ein Beispiel liefern chemische Reaktionen. Die Anfangskonzentration bestimmter Stoffe kann als Eingabe verstanden werden, die Reaktionsdynamik als Verarbeitung und die Endkonzentration als Ausgabe.
Betrachtet man Prozesse auf diese Weise, zeigt sich laut Wolpert, dass chemische Reaktionen eine breite Palette von Rechenaufgaben „codieren“. Sie lassen sich somit in bekannte Rechenoperationen einordnen.
Der vorgeschlagene Ansatz ermögliche es, kodierte Berechnungen in natürlichen Systemen systematisch zu identifizieren – und mit klassischen Rechenmodellen zu verknüpfen.
Warum das mehr als Theorie ist
Der Nutzen liegt nicht nur in einer philosophischen Neubestimmung des Rechnens. Laut Korbel schafft die formale Zuordnung eine Grundlage, um konkret zu analysieren, „was eine bestimmte Instanz seiner Dynamik tatsächlich rechnet“.
Langfristig könnte der Ansatz helfen, Informationsverarbeitung in biologischen oder physikalischen Systemen besser zu verstehen – vom Gehirn bis zu komplexen Strömungsprozessen. Zudem eröffnet sich die Perspektive, natürliche Prozesse gezielt zur Lösung von Aufgaben zu nutzen.
Damit verschiebt die Studie den Blick auf Computer grundlegend: Rechnen wäre nicht länger auf Siliziumchips beschränkt, sondern ein allgemeines Prinzip dynamischer Systeme.
Die Arbeit liefert damit einen Baustein für eine präzisere Definition dessen, was „Berechnung“ überhaupt bedeutet – und welche Rolle Information in der Natur spielt.