Wie entstand der Urknall aus dem Nichts?

„Der letzte Stern wird langsam abkühlen und verblassen.“ Mit seinem Untergang wird das Universum wieder zu einer Leere werden, ohne Licht, Leben oder Sinn.“

So warnte der Physiker Brian Cox in der jüngsten BBC-Serie Universum . Das Verblassen dieses letzten Sterns wird nur der Beginn einer unendlich langen, dunklen Epoche sein. Alle Materie wird irgendwann von Ungeheuerlichkeiten verzehrt Schwarze Löcher , die ihrerseits zu den schwächsten Lichtschimmern verdampfen.

Der Raum wird sich immer weiter ausdehnen, bis selbst das schwache Licht zu weit verbreitet wird, um interagieren zu können. Die Aktivität wird eingestellt.

Oder wird es? Seltsamerweise glauben einige Kosmologen, dass ein früheres, kaltes, dunkles, leeres Universum wie das, das in unserer fernen Zukunft liegt, die Quelle unseres eigenen gewesen sein könnte Urknall .

Die erste Sache

Aber bevor wir dazu kommen, werfen wir einen Blick darauf, wie „Material“ – die physische Materie – entstand. Wenn wir den Ursprung stabiler Materie aus Atomen oder Molekülen erklären wollen, gab es davon sicherlich weder beim Urknall noch Hunderttausende Jahre danach.

Wir haben tatsächlich ein ziemlich detailliertes Verständnis darüber, wie sich die ersten Atome aus einfacheren Teilchen bildeten, als sich die Bedingungen so weit abkühlten, dass komplexe Materie stabil wurde, und wie diese Atome später im Inneren von Sternen zu schwereren Elementen verschmolzen. Dieses Verständnis befasst sich jedoch nicht mit der Frage, ob etwas aus dem Nichts entstanden ist.

Denken wir also weiter zurück. Die ersten langlebigen Materieteilchen überhaupt waren Protonen und Neutronen, die zusammen den Atomkern bilden. Diese entstanden etwa eine Zehntausendstelsekunde nach dem Urknall.

Vor diesem Zeitpunkt gab es wirklich kein Material im üblichen Sinne des Wortes. Aber die Physik ermöglicht es uns, die Zeitachse weiterhin rückwärts zu verfolgen – zu physikalischen Prozessen, die vor jeder stabilen Materie stattfanden.

Dies führt uns zum sogenannten „ große vereinte Epoche '. Mittlerweile befinden wir uns im Bereich der spekulativen Physik, da wir in unseren Experimenten nicht genug Energie produzieren können, um die Art von Prozessen zu untersuchen, die damals abliefen.

Eine plausible Hypothese ist jedoch, dass die physische Welt aus einer Suppe kurzlebiger Elementarteilchen bestand – darunter Quarks, die Bausteine ​​von Protonen und Neutronen.

Es gab sowohl Materie als auch ' Antimaterie ' In ungefähr gleiche Mengen : Jede Art von Materieteilchen, wie zum Beispiel das Quark, hat einen Antimaterie-„Spiegelbild“-Begleiter, der mit sich selbst nahezu identisch ist und sich nur in einem Aspekt unterscheidet.

Materie und Antimaterie vernichten sich jedoch in einem Energieblitz, wenn sie aufeinandertreffen, was bedeutet, dass diese Teilchen ständig erzeugt und zerstört werden.

Aber wie sind diese Teilchen überhaupt entstanden? Die Quantenfeldtheorie besagt, dass selbst ein Vakuum, das angeblich einer leeren Raumzeit entspricht, voller körperlicher Aktivität in Form von Energieschwankungen ist. Diese Schwankungen können dazu führen, dass Partikel herausspringen, nur um kurz darauf wieder zu verschwinden.

Das klingt vielleicht eher nach einer mathematischen Eigenart als nach echter Physik, aber solche Teilchen wurden in unzähligen Experimenten entdeckt.

Der Vakuumzustand der Raumzeit brodelt vor ständiger Erzeugung und Zerstörung von Partikeln, scheinbar „aus dem Nichts“. Aber vielleicht sagt uns das alles nur, dass das Quantenvakuum (trotz seines Namens) eher ein Etwas als ein Nichts ist.

Der Philosoph David Albert hat denkwürdigerweise kritisiert Berichte über den Urknall, die versprechen, auf diese Weise etwas aus dem Nichts zu machen.

Angenommen, wir fragen: Woher ist die Raumzeit selbst entstanden? Dann können wir die Uhr noch weiter zurückdrehen, in die wahrhaft uralte Welt. Planck-Epoche ' – eine Zeit so früh in der Geschichte des Universums, dass unsere besten physikalischen Theorien zusammenbrechen.

Diese Ära ereignete sich nur ein Zehnmillionstel einer Billionstel einer Billionstel einer Billionstel Sekunde nach dem Urknall. Zu diesem Zeitpunkt waren Raum und Zeit selbst Quantenfluktuationen unterworfen.

Normalerweise arbeiten Physiker getrennt mit der Quantenmechanik, die die Mikrowelt der Teilchen regelt, und mit generelle Relativität , was auf großen, kosmischen Skalen gilt. Aber um die Planck-Epoche wirklich zu verstehen, brauchen wir eine vollständige Theorie der Quantengravitation, die beide vereint.

Wir haben immer noch keine perfekte Theorie der Quantengravitation, aber es gibt Versuche – etwa Stringtheorie Und Schleifenquantengravitation . Bei diesen Versuchen werden gewöhnlicher Raum und gewöhnliche Zeit typischerweise als entstehend betrachtet, wie die Wellen auf der Oberfläche eines tiefen Ozeans.

Was wir als Raum und Zeit erfahren, ist das Produkt von Quantenprozessen, die auf einer tieferen, mikroskopischen Ebene ablaufen – Prozesse, die für uns als Lebewesen, die in der makroskopischen Welt verwurzelt sind, wenig Sinn ergeben.

In der Planck-Epoche bricht unser gewöhnliches Verständnis von Raum und Zeit zusammen, sodass wir uns auch nicht mehr auf unser gewöhnliches Verständnis von Ursache und Wirkung verlassen können.

Trotzdem beschreiben alle Kandidatentheorien zur Quantengravitation etwas Physisches, das in der Planck-Epoche vor sich ging – einen Quantenvorläufer des gewöhnlichen Raums und der gewöhnlichen Zeit. Aber woher Das komme aus?

Auch wenn die Kausalität nicht mehr auf gewöhnliche Weise gilt, könnte es immer noch möglich sein, eine Komponente des Universums der Planck-Ära durch eine andere zu erklären. Leider kann selbst unsere beste Physik mittlerweile keine Antworten mehr liefern. Solange wir keine weiteren Fortschritte in Richtung einer „Theorie von allem“ machen, werden wir keine endgültige Antwort geben können.

Das Beste, was wir zum jetzigen Zeitpunkt mit Sicherheit sagen können, ist, dass die Physik bisher keine bestätigten Fälle dafür gefunden hat, dass etwas aus dem Nichts entsteht.

Zyklen aus fast nichts

Um die Frage, wie etwas aus dem Nichts entstehen konnte, wirklich zu beantworten, müssten wir den Quantenzustand des gesamten Universums zu Beginn der Planck-Epoche erklären.

Alle diesbezüglichen Versuche bleiben höchst spekulativ. Einige von ihnen appellieren an übernatürliche Kräfte wie z ein Designer . Aber andere mögliche Erklärungen bleiben im Bereich der Physik – etwa ein Multiversum, das eine unendliche Anzahl paralleler Universen enthält, oder zyklische Modelle des Universums, das geboren und wiedergeboren wird.

Der mit dem Nobelpreis 2020 ausgezeichnete Physiker Roger Penrose hat einen faszinierenden, aber kontroversen Vorschlag gemacht Modell für ein zyklisches Universum wird als „konforme zyklische Kosmologie“ bezeichnet.

Penrose ließ sich von einem interessanten mathematischen Zusammenhang zwischen einem sehr heißen, dichten, kleinen Zustand des Universums – wie er beim Urknall war – und einem extrem kalten, leeren, ausgedehnten Zustand des Universums – wie er in ferner Zukunft sein wird – inspirieren .

Seine radikale Theorie zur Erklärung dieser Korrespondenz besteht darin, dass diese Zustände mathematisch identisch werden, wenn sie an ihre Grenzen gebracht werden. So paradox es auch erscheinen mag, eine völlige Abwesenheit von Materie könnte dazu geführt haben, dass die gesamte Materie entstanden ist, die wir in unserem Universum um uns herum sehen.

Aus dieser Sicht entsteht der Urknall fast aus dem Nichts. Das ist, was übrig bleibt, wenn die gesamte Materie in einem Universum in Schwarzen Löchern verzehrt wurde, die wiederum in Photonen verdampften – verloren im Nichts.

Das gesamte Universum entsteht also aus etwas, das – aus einer anderen physikalischen Perspektive betrachtet – dem Nichts so nahe kommt, wie es überhaupt möglich ist. Aber dieses Nichts ist immer noch eine Art Etwas. Es ist immer noch ein physisches Universum, wie leer es auch sein mag.

Wie kann derselbe Zustand aus einer Perspektive ein kaltes, leeres Universum und aus einer anderen ein heißes, dichtes Universum sein? Die Antwort liegt in einem komplexen mathematischen Verfahren namens „konforme Neuskalierung“, einer geometrischen Transformation, die tatsächlich die Größe eines Objekts ändert, seine Form jedoch unverändert lässt.

Penrose zeigte, wie der kalte, dichte Zustand und der heiße, dichte Zustand durch eine solche Neuskalierung in Beziehung gesetzt werden können, sodass sie in Bezug auf die Formen ihrer Raumzeiten übereinstimmen – jedoch nicht in Bezug auf ihre Größen.

Zugegebenermaßen ist es schwer zu begreifen, wie zwei Objekte auf diese Weise identisch sein können, wenn sie unterschiedliche Größen haben – aber Penrose argumentiert, dass Größe als Konzept in solch extremen physischen Umgebungen keinen Sinn mehr ergibt.

In der konformen zyklischen Kosmologie geht die Erklärungsrichtung von alt und kalt zu jung und heiß: Der heiße dichte Zustand existiert wegen der kalte leere Zustand. Aber dieses „Weil“ ist nicht das bekannte „Weil“ – eine Ursache, der in der Zeit ihre Wirkung folgt. In diesen Extremzuständen spielt nicht nur die Größe eine Rolle, sondern auch die Zeit.

Der kalte, dichte Zustand und der heiße, dichte Zustand liegen tatsächlich auf unterschiedlichen Zeitlinien. Der kalte, leere Zustand würde aus der Perspektive eines Beobachters in seiner eigenen zeitlichen Geometrie für immer andauern, aber der heiße, dichte Zustand, den er hervorruft, bewohnt praktisch eine ganz eigene neue Zeitlinie.

Es kann hilfreich sein, den heißen, dichten Zustand zu verstehen, wie er aus dem kalten, leeren Zustand auf nicht kausale Weise entsteht. Vielleicht sollten wir sagen, dass es sich um einen heißen, dichten Zustand handelt entsteht aus , oder ist Begründet durch ...; Auf Basis von , oder realisiert von der kalte, leere Zustand.

Dies sind eindeutig metaphysische Ideen, die es gegeben hat von Wissenschaftsphilosophen erforscht ausgiebig, insbesondere im Kontext der Quantengravitation wo gewöhnliche Ursache und Wirkung zusammenzubrechen scheinen. An den Grenzen unseres Wissens lassen sich Physik und Philosophie nur schwer voneinander trennen.

Experimentelle Beweise?

Die konforme zyklische Kosmologie bietet einige detaillierte, wenn auch spekulative Antworten auf die Frage, woher unser Urknall kam. Aber selbst wenn Penroses Vision durch den zukünftigen Fortschritt der Kosmologie bestätigt wird, könnten wir denken, dass wir eine tiefere philosophische Frage immer noch nicht beantwortet hätten – die Frage, woher die physische Realität selbst kommt.

Wie ist das gesamte System der Zyklen entstanden? Dann landen wir schließlich bei der reinen Frage, warum es etwas und nicht nichts gibt – eine der größten Fragen der Metaphysik.

Unser Fokus liegt hier jedoch auf Erklärungen, die im Bereich der Physik bleiben. Für die tiefere Frage, wie die Zyklen begannen, gibt es drei allgemeine Optionen.

Es konnte überhaupt keine physikalische Erklärung dafür geben. Oder es könnte sich endlos wiederholende Zyklen geben, von denen jeder ein eigenes Universum darstellt, wobei der anfängliche Quantenzustand jedes Universums durch ein Merkmal des vorherigen Universums erklärt wird. Oder es könnte einen einzigen Zyklus und ein einziges sich wiederholendes Universum geben, wobei der Beginn dieses Zyklus durch ein Merkmal seines eigenen Endes erklärt wird.

Die beiden letztgenannten Ansätze vermeiden die Notwendigkeit unverursachter Ereignisse – und das verleiht ihnen einen besonderen Reiz. Nichts würde von der Physik ungeklärt bleiben.

Penrose stellt sich aus Gründen, die teilweise mit seiner eigenen bevorzugten Interpretation der Quantentheorie zusammenhängen, eine Folge endloser neuer Zyklen vor. In der Quantenmechanik existiert ein physikalisches System in einer Überlagerung vieler verschiedener Zustände gleichzeitig und „wählt“ nur einen zufällig aus, wenn wir ihn messen.

Für Penrose beinhaltet jeder Zyklus zufällige Quantenereignisse, die anders verlaufen – was bedeutet, dass sich jeder Zyklus von denen davor und danach unterscheidet. Das sind tatsächlich gute Nachrichten für Experimentalphysiker, denn es könnte uns ermöglichen, durch schwache Spuren oder Anomalien in der vom Planck-Satelliten beobachteten Reststrahlung des Urknalls einen Blick auf das alte Universum zu werfen, aus dem unseres entstanden ist.

Penrose und seine Mitarbeiter glauben sie könnten es entdeckt haben Diese Spuren sind bereits vorhanden und führen Muster in den Planck-Daten auf Strahlung von supermassereichen Schwarzen Löchern im vorherigen Universum zurück. Ihre behaupteten Beobachtungen waren jedoch von anderen Physikern in Frage gestellt und die Jury bleibt draußen.

Endlose neue Zyklen sind der Schlüssel zu Penroses eigener Vision. Aber es gibt einen natürlichen Weg, die konforme zyklische Kosmologie von einer mehrzyklischen in eine einzyklische Form umzuwandeln. Dann besteht die physische Realität aus einem einzigen Umlauf durch den Urknall bis zu einem Zustand maximaler Leere in der fernen Zukunft – und dann noch einmal bis zum selben Urknall, wodurch wieder dasselbe Universum entsteht.

Diese letztere Möglichkeit steht im Einklang mit einer anderen Interpretation der Quantenmechanik, der sogenannten Viele-Welten-Interpretation. Die Viele-Welten-Interpretation sagt uns, dass jedes Mal, wenn wir ein überlagertes System messen, diese Messung nicht zufällig einen Zustand auswählt. Stattdessen ist das Messergebnis, das wir sehen, nur eine Möglichkeit – diejenige, die sich in unserem eigenen Universum abspielt.

Die anderen Messergebnisse spielen sich alle in anderen Universen eines Multiversums ab, praktisch abgeschnitten von unserem eigenen. Ganz gleich, wie gering die Wahrscheinlichkeit ist, dass etwas passiert, wenn die Wahrscheinlichkeit nicht gleich Null ist, dann geschieht es in einer Quantenparallelwelt.

Es gibt da draußen in anderen Welten Menschen wie Sie, die im Lotto gewonnen haben, von einem ungewöhnlichen Taifun in die Wolken geschwemmt wurden, sich spontan entzündet haben oder die alle drei Dinge gleichzeitig getan haben.

Manche Menschen glauben an solche Paralleluniversen kann auch beobachtbar sein in kosmologischen Daten, als Abdrücke, die durch die Kollision eines anderen Universums mit unserem entstehen.

Die Viele-Welten-Quantentheorie gibt der konformen zyklischen Kosmologie eine neue Wendung, wenn auch keine, mit der Penrose einverstanden ist. Unser Urknall könnte die Wiedergeburt eines einzigen Quantenmultiversums sein, das unendlich viele verschiedene Universen enthält, die alle gleichzeitig auftreten. Alles Mögliche passiert – und dann passiert es immer und immer wieder.

Ein alter Mythos

Für einen Wissenschaftsphilosophen ist Penroses Vision faszinierend. Es eröffnet neue Möglichkeiten zur Erklärung des Urknalls und führt unsere Erklärungen über gewöhnliche Ursache und Wirkung hinaus. Es ist daher ein großartiger Testfall für die Erforschung der verschiedenen Möglichkeiten, wie die Physik unsere Welt erklären kann. Es verdient mehr Aufmerksamkeit von Philosophen.

Für einen Liebhaber von Mythen ist Penroses Vision wunderschön. In Penroses bevorzugter Mehrzyklusform verspricht es endlose neue Welten, die aus der Asche ihrer Vorfahren entstehen. In seiner Ein-Zyklus-Form ist es eine eindrucksvolle moderne Wiederbelebung der alten Idee des Ouroboros, der Weltschlange.

In der nordischen Mythologie ist die Schlange Jörmungandr ein Kind von Loki, einem cleveren Betrüger, und dem Riesen Angrboda. Jörmungandr verzehrt seinen eigenen Schwanz und der geschaffene Kreis erhält das Gleichgewicht der Welt aufrecht. Aber der Ouroboros-Mythos ist auf der ganzen Welt dokumentiert – auch schon im alten Ägypten.

Der Ouroboros des einen zyklischen Universums ist in der Tat majestätisch. Es enthält in seinem Bauch unser eigenes Universum sowie jedes der seltsamen und wunderbaren alternativen möglichen Universen, die die Quantenphysik zulässt – und an der Stelle, an der sein Kopf auf seinen Schwanz trifft, ist es völlig leer, strömt aber auch bei Temperaturen von 100 °C vor Energie Hunderttausend Millionen Milliarden Billionen Grad Celsius.

Sogar Loki, der Gestaltwandler, wäre beeindruckt.

Alastair Wilson , Professor für Philosophie, Universität Birmingham .

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