Der verstorbene Physiker Stephen Hawking bat mich 1998 zum ersten Mal, mit ihm an der Entwicklung einer „neuen Quantentheorie des Urknalls“ zu arbeiten. Was als Doktorandenprojekt begann, entwickelte sich über etwa 20 Jahre zu einer intensiven Zusammenarbeit, die erst mit seinem Tod endete 14. März 2018.
Das Rätsel, das in dieser Zeit im Mittelpunkt unserer Forschung stand, war, wie der Urknall Bedingungen geschaffen haben konnte, die so vollkommen lebensfreundlich waren. Unsere Antwort ist in einem neuen Buch veröffentlicht„Über den Ursprung der Zeit: Stephen Hawkings letzte Theorie.“
Fragen nach dem endgültigen Ursprung des Kosmos oder Universums bringen die Physik aus ihrer Komfortzone. Doch genau hierhin wagte sich Hawking gern. Die Aussicht – oder Hoffnung –, das Rätsel des kosmischen Designs zu lösen, war die Triebfeder für einen Großteil von Hawkings kosmologischen Forschungen. „Kühn dorthin gehen, wo Star Trek sich fürchtet“ war sein Motto – und auch sein Bildschirmschoner.
Unsere gemeinsame wissenschaftliche Suche führte dazu, dass wir uns unweigerlich näher kamen. Wenn man in seiner Nähe war, konnte man nicht umhin, von seiner Entschlossenheit und seinem Optimismus beeinflusst zu werden, dass wir rätselhafte Fragen angehen könnten. Er gab mir das Gefühl, als würden wir unsere eigene Schöpfungsgeschichte schreiben, was wir in gewisser Weise auch taten.
Früher glaubte man, dass die scheinbare Gestaltung des Kosmos bedeute, dass es einen Designer geben müsse – einen Gott. Heute verweisen Wissenschaftler stattdessen auf die Gesetze der Physik. Diese Gesetze haben eine Reihe bemerkenswerter lebenserzeugender Eigenschaften. Nehmen Sie die Menge an Materie und Energie im Universum, die feinen Verhältnisse der Kräfte oder die Anzahl der räumlichen Dimensionen.
Physiker entdeckt haben dass, wenn man diese Eigenschaften auch nur ein wenig verändert, das Universum leblos wird. Es fühlt sich fast so an, als wäre das Universum eine Lösung – sogar eine große.
Aber woher kommen die Gesetze der Physik? Von Albert Einstein bis Hawking in seinem früheren Werk betrachteten die meisten Physiker des 20. Jahrhunderts die mathematischen Beziehungen, die den physikalischen Gesetzen zugrunde liegen, als ewige Wahrheiten. Aus dieser Sicht ist die scheinbare Gestaltung des Kosmos eine Frage der mathematischen Notwendigkeit. Das Universum ist so, wie es ist, weil die Natur keine Wahl hatte.
Um die Wende zum 21. Jahrhundert tauchte eine andere Erklärung auf. Vielleicht leben wir in einem Multiversum, einem riesigen Raum, der ein Flickenteppich aus Universen hervorbringt, jedes mit seiner eigenen Art von Urknall und Physik. Statistisch gesehen wäre es sinnvoll, wenn einige dieser Universen lebensfreundlich wären.
Doch bald gerieten solche Multiversums-Gedanken in eine Spirale aus Paradoxien und fehlenden überprüfbaren Vorhersagen.
Die Kosmologie auf den Kopf stellen
Können wir es besser machen? Ja, Hawking und ich haben es herausgefunden, aber nur, indem wir die der Multiversum-Kosmologie innewohnende Idee aufgegeben haben, dass unsere physikalischen Theorien aus der Sicht Gottes betrachtet werden können, als stünden sie außerhalb des gesamten Kosmos.
Es ist ein offensichtlicher und scheinbar tautologischer Punkt: Die kosmologische Theorie muss die Tatsache berücksichtigen, dass wir im Universum existieren. „Wir sind keine Engel, die das Universum von außen betrachten“, sagte mir Hawking. „Unsere Theorien sind nie von uns losgelöst.“
Unser Ziel war es, die Kosmologie aus der Beobachterperspektive neu zu denken. Dies erforderte die Übernahme der seltsamen Regeln der Quantenmechanik, die die Mikrowelt der Teilchen und Atome regelt.
Laut Quantenmechanik können sich Teilchen gleichzeitig an mehreren möglichen Orten befinden – eine Eigenschaft, die Superposition genannt wird. Erst wenn ein Teilchen beobachtet wird, nimmt es (zufällig) eine bestimmte Position ein. Zur Quantenmechanik gehören auch zufällige Sprünge und Fluktuationen, etwa wenn Teilchen aus dem leeren Raum herausspringen und wieder verschwinden.
In einem Quantenuniversum entsteht also aus einem Dunst der Möglichkeiten durch einen kontinuierlichen Beobachtungsprozess eine greifbare Vergangenheit und Zukunft. Solche Quantenbeobachtungen müssen nicht von Menschen durchgeführt werden. Die Umgebung oder auch nur ein einzelnes Teilchen kann „beobachten“.
Unzählige solcher Quantenbeobachtungen verwandeln ständig das, was sein könnte, in das, was tatsächlich geschieht, und ziehen so das Universum fester in die Existenz. Und sobald etwas beobachtet wurde, verlieren alle anderen Möglichkeiten ihre Bedeutung.
Wenn wir durch eine Quantenlinse auf die frühesten Stadien des Universums zurückblicken, haben wir herausgefunden, dass es eine tiefere Evolutionsebene gibt, in der sich sogar die Gesetze der Physik verändern und weiterentwickeln, im Einklang mit dem Universum, das Gestalt annimmt. Darüber hinaus hat diese Meta-Evolution einen darwinistischen Beigeschmack.
Variation tritt ein, weil zufällige Quantensprünge häufige Abweichungen vom Wahrscheinlichsten verursachen. Die Auswahl kommt daher, weil einige dieser Abweichungen dank Quantenbeobachtung verstärkt und eingefroren werden können. Das Zusammenspiel dieser beiden konkurrierenden Kräfte – Variation und Selektion – im Uruniversum brachte einen verzweigten Baum physikalischer Gesetze hervor.
Das Ergebnis ist eine tiefgreifende Revision der Grundlagen der Kosmologie. Kosmologen beginnen normalerweise mit der Annahme von Gesetzen und Anfangsbedingungen, die zum Zeitpunkt des Urknalls existierten, und überlegen dann, wie sich daraus das heutige Universum entwickelt hat. Wir vermuten jedoch, dass diese Gesetze selbst das Ergebnis der Evolution sind.
Dimensionen, Kräfte und Teilchenarten verändern und diversifizieren sich im Ofen des heißen Urknalls – etwa analog zur Entstehung biologischer Arten Milliarden von Jahren später – und nehmen im Laufe der Zeit ihre effektive Form an.
Darüber hinaus bedeutet die damit verbundene Zufälligkeit, dass das Ergebnis dieser Entwicklung – die spezifischen physikalischen Gesetze, die unser Universum zu dem machen, was es ist –kann nur im Nachhinein verstanden werden.
In gewisser Weise war das frühe Universum eine Überlagerung einer enormen Anzahl möglicher Welten. Aber wir betrachten das Universum heute in einer Zeit, in der Menschen, Galaxien und Planeten existieren. Das heißt, wir sehen die Geschichte, die zu unserer Entwicklung geführt hat.
Wir beobachten Parameter mit „Glückswerten“. Aber wir liegen falsch, wenn wir annehmen, dass sie irgendwie oder schon immer so entworfen wurden.
Das Problem mit der Zeit
Der Kern unserer Hypothese besteht darin, dass sich die Entwicklung hin zu mehr Einfachheit und weniger Struktur fortsetzt, wenn man in der Zeit rückwärts argumentiert. Letztlich verschwinden sogar die Zeit und mit ihr die physikalischen Gesetze.
Diese Ansicht wird insbesondere durch die holographische Form unserer Theorie bestätigt. Der „holographisches Prinzip„ in der Physik sagt voraus, dass die Entwicklung des gesamten Universums ebenso auf einer abstrakten, zeitlosen Oberfläche kodiert ist, so wie ein Hologramm drei Dimensionen zu haben scheint, obwohl es tatsächlich nur in zwei Dimensionen kodiert ist.
Hawking und ich betrachten Zeit und Kausalität als „emergente Qualitäten“, die keine vorherige Existenz haben, sondern aus den Wechselwirkungen zwischen unzähligen Quantenteilchen entstehen. Es ist ein bisschen so, wie die Temperatur dadurch entsteht, dass sich viele Atome gemeinsam bewegen, obwohl kein einzelnes Atom eine Temperatur hat.
Man reist in die Vergangenheit zurück, indem man herauszoomt und einen unschärferen Blick auf das Hologramm wirft. Mit der Zeit verliert man jedoch alle im Hologramm kodierten Informationen. Dies wäre der Ursprung der Zeit – der Urknall.
Seit fast einem Jahrhundert untersuchen wir den Ursprung des Universums vor dem stabilen Hintergrund unveränderlicher Naturgesetze. Aber unsere Theorie liest die Geschichte des Universums von innen heraus und als eine Geschichte, die in ihren frühesten Stadien die Genealogie der physikalischen Gesetze einschließt. Es sind nicht die Gesetze als solche, sondern ihre Fähigkeit, sie umzuwandeln, die das letzte Wort haben.
Zukünftige kosmologische Beobachtungen könnten Hinweise darauf finden. Beispielsweise könnten Präzisionsbeobachtungen von Gravitationswellen – Wellen im Gefüge der Raumzeit – Signaturen einiger der frühen Zweige des Universums aufdecken. Wenn Hawkings kosmologisches Finale entdeckt wird, könnte es sich durchaus als sein größtes wissenschaftliches Vermächtnis erweisen.
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