Bei der Beantwortung von Fragen zu Parallelwelten müssen Physiker sorgfältig zwischen Interpretationen dieser Idee unterscheiden. In der inflationären Kosmologie gibt es die Idee eines "Multiversums", in der Quantenmechanik - "die Vielzahl von Welten" oder "Zweige der Wellenfunktion", in der Stringtheorie - "parallele Brane". In letzter Zeit wird jedoch zunehmend darüber nachgedacht, ob die ersten beiden Ideen aus derselben Grundidee stammen können. (Bran ist aus meiner Sicht immer noch ein völlig eigenständiges Konzept).
Auf den ersten Blick ist das verrückt - oder zumindest schien es mir zuerst so. Wenn Kosmologen über das Multiversum sprechen, verwenden sie einen teilweise poetischen Begriff. Tatsächlich meinen wir verschiedene Regionen der Raumzeit, die so weit entfernt sind, dass wir sie nicht beobachten können, aber dennoch zu dem gehören, was wir das "Universum" nennen möchten. In der inflationären Kosmologie können diese abgelegenen Regionen relativ autark sein - wie Alan Gut sie "Taschenuniversen" nennt. Wenn Sie dies mit der Stringtheorie kombinieren, können die aufkommenden lokalen Gesetze der Physik in verschiedenen Taschenuniversen sehr unterschiedlich sein. Sie können unterschiedliche Partikel, unterschiedliche Kräfte und sogar eine
unterschiedliche Anzahl von Dimensionen aufweisen . Daher ist es durchaus vernünftig, sie als separate Universen zu betrachten, selbst wenn sie alle Teil derselben Raumzeit sind.
Mit einem kurzen Blick auf die Quantenmechanik scheint die Situation dort völlig anders zu sein. Erinnern Sie sich an die
Katze Schrödinger . Die Quantenmechanik beschreibt die Realität durch Wellenfunktionen, die allen möglichen Wahrscheinlichkeiten dessen, was wir beobachten können, Werte (Amplituden) zuweisen. Die Katze ist weder lebendig noch tot - sie befindet sich in einer Überlagerung von Leben + Tod. Zumindest bis wir die Beobachtung durchführen. In einer vereinfachten Kopenhagener Interpretation „kollabiert“ die Wellenfunktion zum Zeitpunkt der Beobachtung zu einer realen Möglichkeit. Wir sehen entweder eine lebende oder eine tote Katze. Eine andere Möglichkeit ist verschwunden. Bei der Interpretation der Vielzahl von Everett-Welten bestehen beide Möglichkeiten weiterhin, aber wir, ein makroskopischer Beobachter, sind zweigeteilt - einer von uns beobachtet eine lebende Katze und der andere - eine tote. Und jetzt gibt es bereits zwei von uns, beide absolut real, und wir können nicht miteinander konvergieren.
Diese beiden Ideen scheinen völlig unterschiedlich zu sein. Im kosmologischen Multiversum sind andere Universen nur sehr weit entfernt. In der Quantenmechanik existieren sie genau hier, aber in verschiedenen Möglichkeiten (in verschiedenen Teilen des
Hilbert-Raums , wenn Sie sich mit Details befassen möchten). Einige Physiker haben jedoch lange darüber nachgedacht, ob sich diese Ideen als gleich herausstellen können. Und einige neue wissenschaftliche Arbeiten, die von mutigen Denkern aus der San Francisco Bay veröffentlicht wurden, entwickeln diese Hypothese im Detail.
1.
Physikalische Theorien, ewige Inflation und Quantenuniversum , Yasunori Nomura
2.
Die multiverse Interpretation der Quantenmechanik , Raphael Bousso und Leonard Susskind
Ideen im Zusammenhang mit dieser Hypothese wurden kürzlich unter der Überschrift „Wie man sich mit Quantenmechanik in einem unendlich großen Universum beschäftigt“ diskutiert - dies sind die Werke von
Don Page und
Anthony Aguayer (und anderen) . Die zuvor erwähnten Arbeiten widmen sich jedoch direkt der Hypothese „Multiversum = Vielzahl von Welten“.
Nachdem ich diese beiden Werke gelesen hatte, verwandelte ich mich von einem zweifelnden Skeptiker in einen vorsichtigen Anhänger. Dies geschah aus einem einfachen Grund: Ich erkannte, dass diese Ideen gut zu anderen passen, die ich über mich selbst dachte! Also werde ich versuchen zu erklären, was passiert. Meine Interpretation dieser Werke erfolgt jedoch unter dem Einfluss meiner eigenen Ideen. Daher werde ich erklären, was sich meiner Meinung nach als wahr herausstellen kann. Ich denke, dass die Erklärung der in diesen beiden Werken vorgestellten nahe genug sein wird, aber es ist nicht notwendig, ihre Autoren für die Dummheit verantwortlich zu machen, die von mir kommt.
Es gibt zwei Ideen, die zusammen diese verrückte Annahme zu etwas Sinnvollem führen. Das erste ist die Schwächung des Quantenvakuums.
Wenn Experten der Teilchenphysik "Vakuum" sagen, meinen sie nicht "leerer Raum", sondern "den Zustand mit der niedrigsten Energie aller ähnlichen Zustände". Angenommen, Sie haben ein
Skalarfeld , das das Universum ausfüllt, unterschiedliche Werte annehmen kann, und bei jedem von ihnen gibt es eine potenzielle Energie, die sich von den anderen unterscheidet. Im normalen Verlauf der Ereignisse versucht das Feld, ein Minimum an potentieller Energie zu erreichen - dies ist das "Vakuum". Gleichzeitig gibt es ein „wahres Vakuum“, in dem die Energie wirklich so klein wie möglich ist, und es gibt „falsche Staubsauger“, in denen Sie ein lokales Minimum erreicht haben, aber kein globales.
Das Schicksal des
falschen Vakuums wurde in den 1970er Jahren in mehreren berühmten Werken von Sydney Coleman und seinen Kollegen herausgearbeitet. Kurz gesagt, die Felder unterliegen Quantenschwankungen. Daher befindet sich das Skalarfeld nicht in einem ruhigen Vakuumzustand. Wenn Sie ihn beobachten, können Sie sehen, wie es ein wenig abweicht. Manchmal lenkt es so stark ab, dass es sogar die Barriere in Richtung des wahren Vakuums überquert. Dies geschieht nicht gleichzeitig im gesamten Raum. Dies geschieht in einer kleinen Region, in einer Blase. Aber wenn dies geschieht, strebt das Feld bereits danach, in einem Zustand des wahren Vakuums zu bleiben und nicht falsch - der erste ist energetisch vorzuziehen. Daher wächst die Blase. Andere Blasen an anderen Orten wachsen ebenfalls. Infolgedessen kollidieren die Blasen und der Übergang von einem falschen zu einem echten Vakuum ist erfolgreich abgeschlossen. (Es sei denn, das Universum dehnt sich so schnell aus, dass sich die Blasen nicht erreichen). Dies ist sehr ähnlich wie Wasser sich in Dampf verwandelt und Blasen bildet.
In diesem Sinne spricht jeder vom Schicksal des falschen Vakuums, aber tatsächlich läuft nicht alles so. Quantenfelder erfahren keine „Schwankungen“; Es ist eine poetische Sprache, die verwendet wird, um die Kommunikation mit unserer klassischen Intuition zu erleichtern. Unsere Beobachtungen unterliegen Schwankungen - wir schauen oft auf dasselbe Feld und jedes Mal beobachten wir unterschiedliche Werte.
Ebenso ist es nicht ganz richtig zu sagen, dass sich eine Blase bildet und wächst. Tatsächlich gibt es eine bestimmte Quantenamplitude für die Blase und sie wächst mit der Zeit. Wenn wir auf das Feld schauen, sehen wir entweder die Blase oder wir sehen nicht - genau wie beim Öffnen der Schrodinger-Box sehen wir eine lebende oder eine tote Katze. Tatsächlich gibt es jedoch eine Quantenwellenfunktion, die alle Möglichkeiten gleichzeitig beschreibt.
Wir werden dies berücksichtigen und den zweiten Hauptbestandteil einführen: Komplementarität (Komplementarität) des Horizonts. Dies ist eine Verallgemeinerung der Idee der
Komplementarität von Schwarzen Löchern , die wiederum aus dem Quantenprinzip
der Komplementarität hervorgeht . (Schon verwirrt?). Das Konzept der Komplementarität wurde von Niels Bohr eingeführt und bedeutet: "Sie können sich ein Elektron als Teilchen oder als Welle vorstellen, aber nicht wie beide gleichzeitig." Das heißt, es gibt verschiedene, gleichermaßen akzeptable Arten, etwas zu beschreiben, das nicht gleichzeitig verwendet werden kann.
Die Komplementarität der Schwarzen Löcher besteht grob gesagt darin, dass "wir darüber sprechen können, was innerhalb oder außerhalb des Schwarzen Lochs geschieht, aber nicht gleichzeitig". Dies ist ein Weg, um das Paradox des
Verschwindens von Informationen in einem Schwarzen Loch zu vermeiden, wenn diese verdunsten. Wenn Sie ein Buch in ein Schwarzes Loch werfen und Informationen darüber nicht verloren gehen, sollten Sie im Prinzip in der Lage sein, seinen Inhalt wiederherzustellen, indem Sie die gesamte vom Schwarzen Loch emittierte
Hawking-Strahlung sammeln. Dies klingt auch dann richtig, wenn Sie den Mechanismus, der diesen Prozess steuert, nicht verstehen. Das Problem ist, dass Sie ein Stück Raum-Zeit "abschneiden" können, das sowohl das hineinfallende Buch als auch die ausgehende Strahlung enthält! Wo sind also die Informationen? (Es kann nicht gleichzeitig an zwei Orten sein - dies wird
durch den Satz des Klonverbots verboten .
Sasskind, Torlacius und Aglum sowie Gerard 't Hooft schlugen Komplementarität als Lösung für das Problem vor: Sie können entweder über ein Buch sprechen, das in eine Singularität innerhalb eines Schwarzen Lochs fällt, oder Sie können über Hawking-Strahlung von außen sprechen, aber nicht über beide gleichzeitig. Dies ist ein bisschen wie Wunschdenken und ein Versuch, die Physik vor der unangenehmen Aussicht auf das Verschwinden von Informationen zusammen mit der Emission von Schwarzen Löchern zu bewahren. Aber je mehr Theoretiker über die Funktionsweise von Schwarzen Löchern nachdenken, desto mehr
Beweise werden für die Wahrheit von so etwas wie Komplementarität gesammelt.
Nach dem Prinzip der Komplementarität von Schwarzen Löchern sollte ein externer Beobachter nicht darüber nachdenken, was im Inneren geschieht. Genauer gesagt kann alles, was im Inneren geschieht, mit Informationen codiert werden, die sich am Horizont der Ereignisse befinden. Diese Idee passt gut zur Holographie und zur Tatsache, dass die Entropie eines Schwarzen Lochs proportional zur Fläche des Horizonts und nicht zu seinem Volumen ist. Tatsächlich ändern Sie das „Innere des Schwarzen Lochs“ in „Informationen, die am Horizont leben“ (genauer gesagt am „gestreckten Horizont“ direkt über dem realen). Diese Idee ist wiederum mit dem
Membranparadigma der Schwarzen Löcher verbunden, aber dieser Artikel wurde bereits aufgeblasen.
Der Ereignishorizont ist nicht die einzige Art von Horizont in der allgemeinen Relativitätstheorie. In der Kosmologie gibt es Horizonte. Der Unterschied ist, dass wir uns außerhalb des Schwarzen Lochs befinden können, während wir uns im Universum befinden. Und der kosmologische Horizont ist die uns umgebende Sphäre, hinter der alles so weit entfernt ist, dass das Licht nicht genug Zeit hat, um uns zu erreichen.
Und es gibt die Komplementarität von Horizonten: Sie können darüber sprechen, was sich in Ihrem kosmologischen Horizont befindet, aber nicht darüber, was sich außerhalb befindet. Alles, was Ihrer Meinung nach außerhalb des Horizonts passieren kann, kann in Form von Informationen am Horizont selbst verschlüsselt werden - genau wie Schwarze Löcher! Dies wird zu einer sehr klaren und plausiblen Aussage im leeren Raum mit einer kosmologischen Konstante (de Sitter-Raum), in der sogar ein genaues Analogon der Hawking-Strahlung existiert. Die Komplementarität der Horizonte behauptet jedoch, dass dies auch im allgemeineren Sinne zutrifft.
Aus der Sicht der Befürworter der Komplementarität sind all diese Taschenuniversen der Kosmologen nicht sinnvoll. Genauer gesagt müssen Sie nicht buchstäblich darüber nachdenken. Alles, worüber Sie sprechen müssen, ist, was innerhalb (und an der Oberfläche) Ihres eigenen Horizonts passiert. Und dies ist eine endliche Menge von allem und kein unendlich großes Multiversum. Sie können sich vorstellen, dass eine solche Perspektive weitreichende Konsequenzen im Bereich der kosmologischen Vorhersagen hat. In der wissenschaftlichen Gemeinschaft kommt es zu Kontroversen darüber, wie dies alles miteinander verknüpft werden kann.
Jetzt werden wir beide Ideen miteinander verbinden: Komplementarität des Horizonts („denke nur an das, was im beobachtbaren Universum geschieht“) und Schwächung des Quantenvakuums („es gibt eine Quantenüberlagerung verschiedener Vakuumzustände an jedem Punkt im Raum“).
Das Ergebnis ist ein Multiversum in einem Sarg. Oder zumindest das Multiversum am Horizont. Einerseits besagt Komplementarität, dass man nicht darüber sprechen muss, was sich außerhalb des beobachteten Universums befindet. Jede vernünftige Frage kann in Bezug auf das, was am Horizont passiert, beantwortet werden. Andererseits sagt die Quantenmechanik, dass eine vollständige Beschreibung von allem, was im beobachtbaren Universum geschieht, eine Amplitude in verschiedenen möglichen Zuständen enthält. Deshalb haben wir das kosmologische Multiversum, in dem sich verschiedene Zustände in extrem getrennten Regionen der Raumzeit befinden, durch ein lokalisiertes Multiversum ersetzt, in dem sich verschiedene Zustände an einem Ort befinden, nur auf verschiedenen Zweigen der Wellenfunktion.
Es ist schwer sofort zu verstehen, aber ich hoffe, die wichtigsten Punkte sind klar. Aber ist das alles wahr? Und wenn ja, was sollen wir dagegen tun?
Natürlich haben wir keine Antworten auf diese Fragen, aber es ist sehr interessant, darüber zu sprechen. Ich neige dazu zu glauben, dass dies durchaus wahr sein kann. Und wenn ja, dann möchte ich fragen, was die Konsequenzen für die anfänglichen kosmologischen Bedingungen und für den Pfeil der Zeit sind. Ich glaube nicht, dass dieser Ansatz einfache Antworten auf diese Fragen bietet, aber er kann eine relativ zuverlässige Plattform bieten, mit der Sie beginnen können, bestimmte Antworten zu entwickeln. Das Universum ist sehr groß und wir können erwarten, dass sein Verständnis eine ernsthafte Herausforderung für uns sein wird.