Die Idee eines Multiversums, das aus „Paralleluniversen“ besteht, ist eine beliebte Science-Fiction-Trope, die kürzlich in dem Oscar-prämierten Film „Alles überall auf einmal.“ Es liegt jedoch im Bereich des wissenschaftlich Möglichen.
Es ist wichtig, von Anfang an festzuhalten, dass die Existenz (oder nicht) des Multiversums eine Folge unseres gegenwärtigen Verständnisses der fundamentalen Gesetze der Physik ist – es kam nicht aus den Köpfen skurriler Physiker, die zu viele Science-Fiction-Bücher lesen .
Es gibt verschiedene Versionen des Multiversums. Die erste und vielleicht populärste Version stammt aus der Quantenmechanik, die die Welt der Atome und Teilchen beherrscht. Es deutet darauf hin, dass ein Teilchen gleichzeitig in vielen möglichen Zuständen sein kann – bis wir das System messen und es einen auswählt. Entsprechend eine Deutungwerden alle Quantenmöglichkeiten, die wir nicht gemessen haben, in anderen Universen verwirklicht.
Ewige Inflation
Die zweite Version, das kosmologische Multiversum, entsteht als Folge von kosmische Inflation. Um zu erklären, dass das Universum heute überall ungefähr gleich aussieht, schlug der Physiker Alan Guth 1981 vor, dass das frühe Universum eine Phase beschleunigter Expansion durchgemacht habe. Während dieser Zeit der Inflation wurde der Raum so gedehnt, dass der Abstand zwischen zwei beliebigen Punkten schneller als mit Lichtgeschwindigkeit auseinander geschoben wurde.
Die Inflationstheorie sagte auch die Existenz der Ursamen die zu kosmologischen Strukturen wie Sternen und Galaxien heranwuchsen. Dies wurde 2003 durch Beobachtungen winziger Temperaturschwankungen im kosmischen Mikrowellenhintergrund, dem Licht, das vom Urknall übrig geblieben ist, erfolgreich entdeckt. Es wurde anschließend mit außerordentlicher Präzision durch die Weltraumexperimente gemessen WMAP Und Planck.
Aufgrund dieses bemerkenswerten Erfolgs ist die kosmische Inflation jetzt als De-facto-Theorie betrachtet des frühen Universums von den meisten Kosmologen.
Aber es gab eine (vielleicht unbeabsichtigte) Folge der kosmischen Inflation. Während der Inflation wird der Raum über sehr große Skalen gedehnt und geglättet – normalerweise viel größer als das beobachtbare Universum. Trotzdem muss die kosmische Inflation irgendwann enden, sonst hätte sich unser Universum nicht zu dem entwickeln können, was es heute ist.
Aber die Physiker erkannten bald, dass, wenn die Inflation wirklich wahr ist, sich einige Regionen der Raumzeit weiter aufblähen würden, selbst wenn die Inflation in den anderen enden würde. Die Regionen, die sich weiter aufblähen, können als separates, aufblähendes Universum betrachtet werden. Dieser Prozess setzt sich endlos fort, wobei sich aufblähende Universen noch mehr aufblähende Universen hervorbringen und ein Multiversum von Universen erschaffen.
Dieses Phänomen wird als „ewige Inflation“ bezeichnet. Erstmals 1983 von den Physikern Paul Steinhardt und Alex Vilenkin beschrieben, blieb die ewige Inflation bis Anfang des 21. Jahrhunderts ein merkwürdiges Artefakt der kosmischen Inflation kombiniert mit einer Idee von der Stringtheorie, um eine umstrittene, aber zwingende Erklärung dafür zu liefern, warum unsere physikalischen Gesetze so sind, wie sie heute sind.
Die Stringtheorie ist noch nicht bewiesen, aber sie ist derzeit unsere größte Hoffnung auf eine Theorie von allem – die Quantenmechanik und Gravitation vereint. Physikalisch realistische Stringtheorien müssen jedoch zehn oder mehr Dimensionen besitzen (statt unserer normalen drei räumlichen Dimensionen plus Zeit). Um unser gegenwärtiges Universum zu beschreiben, müssen also sechs oder mehr dieser Dimensionen „komprimiert“ werden – so zusammengerollt, dass wir sie nicht sehen können.
Das mathematische Verfahren hierfür ist bekannt. Das Problem (manche sagen vielleicht das Merkmal) dieses Prozesses besteht darin, dass es mindestens 10.500 Möglichkeiten gibt, diese Verdichtung durchzuführen – und diese verblüffend große Menge an Möglichkeiten wird als „String-Landschaft“ bezeichnet. Jede Verdichtung wird zu einem anderen Satz physikalischer Gesetze führen, die möglicherweise einem anderen Universum entsprechen. Dies wirft zwei entscheidende Fragen auf: Wo stehen wir in der Saitenlandschaft und warum?
Die ewige Inflation liefert eine elegante Antwort auf die erste Frage: Jedes sich aufblähende Universum des Multiversums realisiert einen anderen Punkt in der String-Landschaft, sodass alle möglichen physikalischen Gesetze irgendwo im Multiversum existieren können. Aber warum ist unser Universum so großartig darin, intelligentes Leben wie uns hervorzubringen? Nun, einige Universen sollten, statistisch gesehen, wie unsere sein – und wir leben in einem Universum, in dem unsere physikalischen Gesetze diejenigen sind, die wir beobachten.
Diese Ansicht ist jedoch sehr umstritten – viele argumentieren, dass es sich nicht um ein wissenschaftliches Argument handelt, und es hat zu einer intensiven Untersuchung geführt.
Testbarkeit
Die offensichtliche Herausforderung beim Multiversum ist seine Beobachtbarkeit. Angenommen, es existiert, ist es dann möglich, die anderen Universen auch nur im Prinzip zu beobachten? Für das Quantenmultiversum lautet die Antwort nein – verschiedene Universen kommunizieren nicht. Aber im inflationären Multiversum lautet die Antwort „ja, wenn wir Glück haben“.
Da die verschiedenen Universen denselben physikalischen Raum einnehmen, könnten benachbarte Universen im Prinzip miteinander kollidieren und möglicherweise Relikte und Abdrücke in unserem beobachtbaren Universum hinterlassen. Eine Forschungskooperation unter der Leitung von Hiranya Peiris vom University College London und Matthew Johnson von der Perimeter-Institut zeigte, dass solche Kollisionen sollte in der Tat Spuren hinterlassen auf dem kosmischen Mikrowellenhintergrund (Licht, das vom Urknall übrig geblieben ist), nach dem gesucht werden kann – obwohl diese Signaturen bisher nicht gefunden wurden.
Die nächste Herausforderung ist theoretischer Natur. Einige Theoretiker haben vorgeschlagen, dass die meisten Universen in der String-Landschaft tatsächlich mathematisch inkonsistent sind – sie können nicht so existieren, wie es unser Universum tut. Sie stattdessen existieren in einem Sumpfgebiet von Lösungen – und insbesondere Lösungen der Stringtheorie, die eine kosmische Inflation zulassen, scheinen schwer zu finden zu sein.
Unter Stringtheoretikern und Kosmologen gibt es tiefe Meinungsverschiedenheiten darüber, ob die Stringtheorie die Inflation auch nur im Prinzip beschreiben kann. Dieses Rätsel ist sowohl ärgerlich als auch aufregend – es deutet darauf hin, dass eine der beiden Ideen falsch ist, von denen jede zu einer Revolution in der theoretischen Physik führen wird.
Schließlich wird die Prämisse der kosmischen Inflation jetzt in Frage gestellt. Die Daseinsberechtigung der kosmischen Inflation besteht darin, dass die Inflation, unabhängig davon, wie das frühe Universum aussah, den Kosmos dynamisch in das glatte Universum treiben würde, das wir heute sehen. Ob die kosmische Inflation überhaupt einsetzen kann, ist jedoch nie rigoros untersucht worden.
Dies liegt daran, dass die Gleichungen, die den Beginn des Prozesses beschreiben, zu kompliziert sind, um sie analytisch zu lösen. Aber diese Frage wird jetzt von mehreren Forschungsgruppen auf der ganzen Welt rigoros getestet, einschließlich meiner eigenen am King’s College London, wo die Kraft des modernen Hochleistungsrechnens zum Tragen kommt, um diese ehemals unlösbaren Gleichungen zu lösen. Beobachten Sie also diesen Raum.
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