Philosophen diskutieren seit Tausenden von Jahren über die Natur von "Nichts", "Nichts", "Nichts", "Leere", aber was kann die moderne Wissenschaft darüber sagen? Diese Frage wird von Martin Rees, Astronom der Royal Society und emeritierter Professor für Kosmologie und Astrophysik an der Universität von Cambridge, beantwortet. Er erklärt, wenn Physiker über "nichts" sprechen, meinen sie leeren Raum (Vakuum). Es mag ganz normal erscheinen, aber Experimente zeigen, dass der leere Raum nicht wirklich leer ist - er enthält eine mysteriöse Energie, die uns etwas über das Schicksal des Universums erzählen kann.
Ein Interview mit Martin Rees, präsentiert von The Conversation.
Ist leerer Raum dasselbe wie nichts?
Leerer Raum scheint uns nichts zu sein. In Analogie dazu scheint Wasser für den Fisch "nichts" zu sein - es ist das Wasser, das verbleibt, wenn Sie alles andere entfernen, was im Meer schwimmt. Ebenso erweist sich der leere Raum in der Praxis als recht schwierig.
Wir wissen, dass das Universum sehr leer ist. Die durchschnittliche Dichte des Weltraums beträgt etwa ein Atom pro zehn Kubikmeter - die Umgebung ist viel verdünnter als jedes Vakuum, das wir auf der Erde bekommen können. Aber selbst wenn alle Materie entfernt ist, hat der Raum eine Art Elastizität, die es (wie kürzlich bestätigt) ermöglicht, dass sich Gravitationswellen - die Wellen des Raums selbst - durch ihn ausbreiten. Darüber hinaus haben wir gelernt, dass es im leeren Raum selbst eine exotische Form von Energie gibt.
Diese Vakuumenergie haben wir erstmals im 20. Jahrhundert mit dem Aufkommen der Quantenmechanik kennengelernt, die das Verhalten von Atomen und Teilchen im kleinsten Maßstab erklärt. Daraus folgt, dass der leere Raum aus einem Feld von Schwankungen der Hintergrundenergie besteht - das Wellen und virtuellen Teilchen Leben einhaucht, die ab und zu im Nirgendwo erscheinen und verschwinden. Sie können sogar winzige Kraft erzeugen. Aber was ist mit Leerraum im großen Maßstab?
Die Tatsache, dass der leere Raum große Kräfte erzeugt, wurde vor 20 Jahren entdeckt. Astronomen haben festgestellt, dass sich die Expansion des Universums beschleunigt. Das war eine Überraschung. Die Expansion war seit über 50 Jahren bekannt, aber alle dachten, die Expansion würde sich aufgrund der Anziehungskraft, die Galaxien und andere Strukturen aufeinander ausüben, verlangsamen. Daher war es für alle eine große Überraschung, dass die Verzögerung aufgrund der Schwerkraft durch etwas ausgeglichen wurde, das die Expansion "vorantrieb". Es stellte sich heraus, dass im leeren Raum selbst Energie vorhanden ist, die eine Art Abstoßung erzeugt, die die Anziehungskraft der Schwerkraft auf diesen großen Skalen überwiegt. Dieses Phänomen - dunkle Energie - ist die unglaublichste Manifestation der Tatsache, dass der leere Raum nicht faltig oder leer ist. Außerdem,Diese Tatsache bestimmt das weitere Schicksal unseres Universums.
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Gibt es eine Grenze für das, was wir lernen können? Auf einer Skala von einer Billion Billionen Mal kleiner als ein Atom können Quantenfluktuationen in der Raumzeit nicht nur virtuelle Teilchen, sondern auch virtuelle Schwarze Löcher hervorbringen. Dies liegt innerhalb der Grenzen, die wir nicht beobachten und verstehen können, was wir zumindest hypothetisch brauchen, um die Gravitationstheorie mit der Quantenmechanik zu kombinieren - und das ist unglaublich schwierig.
Es gibt verschiedene Theorien, um dies zu verstehen, von denen die bekannteste die Stringtheorie ist. Aber keine dieser Theorien ist noch mit der realen Welt verwandt - also sind sie immer noch unbegründet. Ich denke, fast jeder wird erkennen, dass der Raum selbst eine komplexe Struktur in kleinem Maßstab hat, in der sich Gravitations- und Quanteneffekte treffen.
Wir wissen, dass unser Universum drei räumliche Dimensionen hat: Sie können sich nach links und rechts, vorwärts und rückwärts, auf und ab bewegen. Zeit ist wie die vierte Dimension. Es besteht jedoch der starke Verdacht, dass, wenn Sie einen winzigen Punkt im Raum vergrößern, bis Sie diese winzige Skala spüren, Sie feststellen werden, dass es sich um ein dicht komprimiertes Origami mit fünf zusätzlichen Dimensionen handelt, das wir nicht sehen können. Als ob Sie den Schlauch aus der Ferne betrachten und denken, es sei nur eine Linie. Wenn Sie näher heranrücken, werden Sie sehen, dass eine Dimension im Wesentlichen drei ist. Die Stringtheorie umfasst komplexe Mathematik - ebenso wie konkurrierende Theorien. Aber genau diese Theorie brauchen wir, um auf der tiefsten Ebene das zu verstehen, was der vorstellbaren Leere am nächsten kommt: natürlich den leeren Raum.
Wie können wir nach unserem derzeitigen Verständnis erklären, dass sich unser gesamtes Universum aus dem Nichts ausdehnt? Könnte es wirklich mit einer kleinen Schwankung der Energie des Vakuums begonnen haben?
Einige mysteriöse Übergänge oder Schwankungen könnten plötzlich dazu führen, dass sich ein Teil des Raums ausdehnt, wie einige Theoretiker glauben. Die der Quantentheorie innewohnenden Schwankungen könnten das gesamte Universum erschüttern, wenn es auf ausreichend kleine Skalen komprimiert würde. Dies sollte in ungefähr 10 (bis -44) Sekunden geschehen sein - dies ist Planck-Zeit. Auf diesen Skalen sind Zeit und Raum miteinander verflochten, sodass die Idee einer tickenden Uhr keinen Sinn ergibt. Wir können unser Universum mit einem hohen Maß an Sicherheit auf die Nanosekunde zurückrechnen und mit hoher Wahrscheinlichkeit näher an die Planck-Zeit zurückkehren. Aber danach sind unsere Vermutungen nicht mehr gültig - die Physik in dieser Größenordnung wird durch eine andere, komplexere Theorie ersetzt.
Wenn es sein könnte, dass eine Fluktuation in einem zufälligen Teil des leeren Raums dem Universum Leben gab, warum kann nicht dasselbe einem anderen Teil des leeren Raums passieren - und parallelen Universen in einem unendlichen Multiversum Leben geben?
Die Idee, dass unser Urknall nicht der einzige ist und dass das, was wir durch unsere Teleskope sehen, ein winziges Stück physischer Realität ist, ist bei Physikern sehr beliebt. Und es gibt viele Versionen des zyklischen Universums. Noch vor 50 Jahren gab es starke Beweise dafür, dass der Urknall überhaupt stattgefunden hat. Aber seitdem gab es Spekulationen, dass er nur eine Episode in einem zyklischen Universum sein könnte. Es besteht auch die Tendenz zu verstehen, dass die physische Realität viel mehr ist als das Raum- und Zeitvolumen, das wir selbst mit Hilfe der leistungsstärksten Teleskope fühlen können.
Daher haben wir keine Ahnung, ob es einen Urknall gab oder es viele gab - es gibt Szenarien, die viele Urknalle vorhersagen, und Szenarien, die einen vorhersagen. Ich denke, wir sollten sie alle studieren.
Was ist das Ende des Universums?
Die einfachste Prognose für die ferne Zukunft ist, dass sich das Universum immer schneller ausdehnen und kälter und leerer werden wird. Die darin enthaltenen Partikel können sich auflösen und sich endlos in der Leere auflösen. Wir befinden uns vielleicht in einem riesigen Raumvolumen, aber es wird noch leerer sein als jetzt. Dies ist eines der Szenarien. Es gibt andere, die eine "Umkehrung" der Richtung der Dunklen Energie von Abstoßung zu Anziehung vorhersagen, wodurch wir zu einem dichten Punkt komprimiert werden.
Es gibt auch Roger Penrose's Idee, dass sich das Universum weiter ausdehnt und immer mehr verdünnt, aber irgendwie - wenn es nichts als Photonen, Lichtteilchen enthält - werden die Objekte darin neu kalibriert und der Raum wird auf irgendeine Weise zu einem Generator eines neuen Urknalls … Dies wird eine sehr exotische Version des alten zyklischen Universums sein - aber bitte bitten Sie mich nicht, Penrose 'Ideen zu erklären.
Wie sicher sind Sie, dass die Wissenschaft eines Tages das Geheimnis dessen aufdecken wird, was dieses "Nichts" ist? Selbst wenn wir beweisen könnten, dass das Universum aus einer seltsamen Schwankung in einem Vakuumfeld hervorgegangen ist, sollten wir uns nicht fragen, woher dieses Vakuumfeld stammt?
Die Wissenschaft versucht, Antworten zu geben, aber jedes Mal, wenn wir sie finden, tauchen neue Fragen auf - wir werden nie das vollständige Bild haben. Als ich Ende der 1960er Jahre anfing zu forschen, gab es Zweifel, dass es überhaupt einen Urknall gab. Jetzt gibt es keinen Zweifel mehr und wir können mit einer Genauigkeit von etwa 2% sagen, dass das Universum bis zur ersten Nanosekunde 13,8 Milliarden Jahre lang dasselbe war. Das ist ein großer Fortschritt. Es ist lächerlich optimistisch zu glauben, dass wir in den nächsten 50 Jahren die schwierigen Fragen klären werden, was in der Quanten- oder "inflationären" Ära passiert.
Aber natürlich stellt sich eine andere Frage: Wie viel Wissenschaft wird für das menschliche Gehirn verständlich sein? Es mag sein, dass die Mathematik der Stringtheorie in gewissem Sinne eine korrekte Beschreibung der Realität ist, aber wir können sie nie gut genug verstehen, um sie gegen eine echte Beobachtung zu testen. Dann müssen wir möglicherweise warten, bis einige Post-Menschen auftauchen, um ein umfassenderes Verständnis zu erlangen.
Ilya Khel
