Wie das Universum aus dem Nichts kam

Vor einiger Zeit begann unter den Kosmologen und Wissenschaftsphilosophen eine sehr aktive Diskussion über die Ursachen der Existenz des Universums. Ja, wir machen hier keinen Unsinn.

Zunächst veröffentlichte Lawrence Krauss das neue Buch „Das Universum aus dem Nichts. Warum Gott nicht benötigt wird, um das Universum aus der Leere zu erschaffen “ [ Ein Universum aus dem Nichts: Warum es etwas statt nichts gibt ] (insbesondere basierend auf dem auf YouTube verfügbaren populären Vortrag) dieses Thema aus der Sicht eines modernen Kosmologen zu behandeln. David Albert, der moderne Wissenschaftsphilosoph, entwarf daraufhin eine verheerende Buchbesprechung für die New York Times. Diese Diskussion dauert seitdem an: ein Interview mit Jerry Coyne (auf Alberts Seite), Rutgers 'Blog Philosophy of Cosmology , ein großartiges Interview mit Krauss über den Atlantik, Kommentare von Massimo Piglucci , eine weitere Antwort von Krauss auf Scientific American.

Aus persönlichen und wissenschaftlichen Gründen wollte ich auch meine Meinung einbringen. Der Ursprung des Universums ist eines der Themen meiner Arbeit , und Lawrence und David sind meine Freunde und Blog-Partner.

Inhalt

Der Artikel wird groß sein, daher werde ich eine kurze Zusammenfassung geben. Grob gesagt um das Problem "Warum gibt es etwas?" Es häufen sich zwei Arten von Fragen. Einer der Typen, der auf einer Plattform physikalischer Gesetze basiert und flexibel genug ist, um die Existenz von „etwas“ oder „nichts“ zu ermöglichen (außerdem kann das Konzept von „etwas“ sowohl Zeit als auch Raum umfassen), klingt wie folgt: Warum in Wahrheit? Gibt es eine Manifestation der Realität? Eine andere Art von Frage hängt damit zusammen, warum wir diese spezielle Plattform physikalischer Gesetze haben oder etwas, das allgemein als „physikalische Gesetze“ bezeichnet wird.

Lawrence bezieht sich vereinfacht auf die erste Art von Fragen, und David interessiert sich für die zweite, und beide Seiten geben viel Energie aus und bestehen darauf, dass ihre Frage korrekter ist, anstatt zu erkennen, dass diese Fragen unterschiedlich sind. Nichts in der modernen Physik erklärt, warum wir solche Gesetze haben und nicht andere, obwohl Physiker manchmal darüber sprechen - und sie hätten diesen Fehler vermeiden können, wenn sie Philosophen ernster genommen hätten.

Dann geht die Diskussion schnell in Anschuldigungen und Argumente über, aber nicht schade, denn diese Leute sind klug und stimmen in 95% der interessanten Probleme überein, und die Chancen auf einen produktiven Dialog nehmen ständig ab.

Wie das Universum funktioniert

Lassen Sie uns darüber sprechen, wie die Physik nach unseren Konzepten tatsächlich angeordnet ist. Seit Newtons Zeit hat sich das Paradigma der Grundlagenphysik nicht geändert. es besteht aus drei Teilen. Der erste ist der „Zustandsraum“: eine Liste aller möglichen Konfigurationen, in denen sich das Universum befinden kann. Der zweite ist ein bestimmter Zustand, der das Universum zu einem bestimmten Zeitpunkt darstellt, normalerweise zum gegenwärtigen Zeitpunkt. Drittens - eine bestimmte Regel, nach der sich das Universum in der Zeit entwickelt. Geben Sie mir das Universum für heute, und die Gesetze der Physik werden sagen, was in Zukunft damit passieren wird. Diese Denkweise gilt nicht weniger für die Quantenmechanik oder GR oder die Quantenfeldtheorie als für die Newtonsche Mechanik oder die Maxwell-Elektrodynamik.

Insbesondere die Quantenmechanik ist eine spezielle, aber sehr vielseitige Implementierung dieses Schemas. (Die Quantenfeldtheorie ist nur ein eindeutiges Beispiel für die Quantenmechanik, keine neue Denkweise). Zustände sind "Wellenfunktionen", und die Menge aller möglichen Wellenfunktionen eines bestimmten Systems wird als " Hilbert-Raum " bezeichnet. Sein Vorteil ist, dass es die Möglichkeiten stark einschränkt (weil es sich um einen Vektorraum handelt: ein Kommentar für Experten). Sobald Sie mir die Größe (Anzahl der Messungen) mitteilen, bestimmen Sie Ihren Hilbert-Raum vollständig. Dies unterscheidet sich grundlegend von der klassischen Mechanik, in der der Zustandsraum extrem komplex werden kann. Und es gibt auch eine Maschine - den " Hamiltonianer " -, die genau angibt, wie man sich im Laufe der Zeit von einem Zustand in einen anderen entwickelt. Ich wiederhole, dass es nicht viele Arten von Hamiltonianern gibt; Schreiben Sie einfach eine bestimmte Liste von Größen auf (Eigenwerte der Energie - eine Klarstellung für Sie, nervige Experten).

Es ist notwendig, unparteiisch an die Form der endgültigen Gesetze der Physik heranzugehen, aber fast alle modernen Versuche, sie abzuleiten, erfordern die Quantenmechanik für die Wahrheit. Dies gilt sowohl für die Stringtheorie als auch für andere Ansätze zur Quantengravitation - sie können sich in ihren Ansichten darüber, woraus „Raum-Zeit“ oder „Materie“ besteht, sehr unterscheiden, gehen jedoch sehr selten unachtsam mit den Grundlagen der Quantenmechanik um. Dies gilt eindeutig für alle Optionen, die Lawrence in seinem Buch berücksichtigt. Auf dieser Plattform geht es bei der Definition von "Gesetzen der Physik" darum, einen Hilbert-Raum (für den Sie wiederum nur seine Größe bestimmen müssen) und den Hamilton-Raum zu wählen. Eine der großen Eigenschaften der Quantenmechanik ist, wie restriktiv sie ist; Wir haben nicht viel Wahlfreiheit von den Arten der Gesetze der Physik. Es scheint, dass es einen großen Spielraum für Kreativität gibt, da der Hilbert-Raum sehr groß sein kann und die einfache Essenz des Hamilton-Operators durch unsere komplizierte Interaktion mit der Außenwelt verborgen werden kann, aber das Grundrezept bleibt unverändert.

Was bedeutet also das „Universum aus dem Nichts“, das auf dieser Plattform gesprochen wird? Wir müssen noch eine von zwei Optionen auswählen, aber zumindest diese Liste mit zwei Elementen ist vollständig.

Erste Gelegenheit: Zeit ist grundlegend

Die erste Möglichkeit besteht darin, dass sich der Quantenzustand des Universums tatsächlich zeitlich ändert - das heißt, der Hamilton-Operator ist nicht gleich Null und treibt den Zustand wirklich zeitlich voran. Dieser Fall scheint allgemein zu sein (es gibt mehr Möglichkeiten, sich von Null zu unterscheiden als von Null zu sein), und genau um ihn zu studieren, verbringen wir Zeit mit Einführungskursen, um furchtlosen Schülern zum ersten Mal Quantenmechanik aufzuzwingen. Eine wunderbare und unterschätzte Konsequenz der Quantenmechanik ist, dass wenn sich diese Möglichkeit als wahr herausstellt (das Universum entwickelt sich wirklich), die Zeit nicht beginnen oder enden kann - sie geht für immer weiter. Es ähnelt überhaupt nicht der klassischen Mechanik, bei der die Flugbahn des Universums im Zustandsraum mit einer Singularität kollidieren kann, in der die Zeit aufhören soll zu fließen. In der Quantenmechanik ist jeder Zustand nicht schlechter als jeder andere, und die Evolution wird freudig weitergehen.

Wie hängt das mit der Frage „Etwas gegen Nichts“ zusammen? Während der Entwicklung des Quantenzustands des Universums kann es Phasen durchlaufen, in denen es im allgemein akzeptierten Sinne nichts sehr ähnlich ist - das heißt als leerer Raum oder als seltsame nicht geometrische Phase, in der wir den Raum überhaupt nicht erkennen würden. Später kann es sich durch den unerbittlichen Einfluss des Hamiltonianers zu etwas entwickeln, das „etwas“ sehr ähnlich ist, sogar dem Universum, das wir heute sehen, sehr ähnlich. Wenn für Sie „nichts“ „Leere“ oder „Platzmangel“ ist, bieten die Gesetze der Quantenmechanik eine bequeme Möglichkeit zu verstehen, wie nichts zu einem wunderbaren Etwas werden kann, in dem wir uns befinden. Dies ist interessant und wichtig und verdient es, ein Buch zu schreiben, und dies ist eine der Möglichkeiten, die Lawrence diskutiert.

Gelegenheit zwei: Zeit ist zweitrangig / ungefähr

Die zweite Möglichkeit ist, dass sich das Universum überhaupt nicht entwickelt - der Hamilton-Operator ist Null, der Raum möglicher Zustände existiert, aber wir sitzen nur regungslos darin, ohne einen fundamentalen „Zeitfluss“. Sie können entscheiden, dass diese Möglichkeit logisch, aber nicht glaubwürdig ist. weil wir nicht sehen, wie sich alles um uns herum ständig ändert? Aber genau in dieser Möglichkeit werden Sie sofort begraben, wenn Sie einfach den klassischen GR nehmen und versuchen, ihn zu quantisieren (dh eine Quantentheorie erfinden, die im klassischen Grenzbereich gegen GR konvergiert). Wir wissen nicht, ob dies richtig ist - Tom Banks glaubt beispielsweise, dass dies nicht der Fall ist -, aber diese Möglichkeit besteht, daher müssen wir darüber nachdenken, was dies bedeuten könnte, wenn sich herausstellt, dass es wahr ist.

Natürlich glauben wir, dass wir den Lauf der Zeit spüren, aber vielleicht ist Zeit eine sekundäre Sache, keine grundlegende (ich denke nicht, dass die Verwendung des Wortes "illusorisch" in diesem Zusammenhang richtig ist, aber andere sind nicht so vorsichtig). Das heißt, vielleicht gibt es eine alternative Beschreibung dieses einen festen Punktes des Hilbert-Raums - eine Beschreibung, die zumindest für einige Zeit ungefähr „Das Universum entwickelt sich in der Zeit“ ähnelt. Stellen Sie sich einen Metallstab vor, der sich auf einer heißen Oberfläche befindet und sich nicht mit der Zeit entwickelt, sondern einen Temperaturgradienten aufweist, der von oben nach unten verteilt ist. Es ist konzeptionell möglich, diesen Balken in Schichten gleicher Temperatur zu unterteilen und dann eine Gleichung zu schreiben, die zeigt, wie sich der Zustand des Balkens von Schicht zu Schicht ändert, und festzustellen, dass der resultierende mathematische Formalismus der „Zeitentwicklung“ ähnlich ist. In diesem Fall kann die Zeit im Gegensatz zur vorherigen enden (oder beginnen), da dies ursprünglich eine nützliche Annäherung war, die unter bestimmten Bedingungen akzeptabel ist.

Eine solche Option wird von Kosmologen wie James Hartle, Stephen Hawking, Alex Vilenkin, Andrei Linde und anderen in Betracht gezogen, die davon sprechen, "das Universum aus dem Nichts zu erschaffen". Nach dieser Ansicht existiert in der Geschichte des Universums buchstäblich ein Moment, vor dem andere Momente nicht existierten. Es gibt eine Zeitgrenze (vermutlich vor dem Urknall), an der es nichts gab. Weder Materie noch Quantenwellenfunktion; Es gab nichts vorheriges, da das Konzept des „Vor-“ keinen Sinn ergibt. Dies ist auch interessant, wichtig, und es lohnt sich, ein Buch darüber zu schreiben, und dies ist eine weitere der Möglichkeiten, die Lawrence diskutiert.

Warum existiert das Universum überhaupt?

Die moderne Physik hat uns zwei dieser Ideen gegeben, die sehr interessant sind und auf unsere informelle Idee reagieren, wie „etwas aus dem Nichts entsteht“. Einer von ihnen spricht von der Evolution vom leeren Raum (oder Nicht-Raum) in ein Universum voller alles, und der andere spricht von Zeit als einem beispielhaften Konzept, das an einer Grenze in einem abstrakten Raum der Möglichkeiten endet.

Worüber beschweren wir uns? Wenn Sie darüber nachdenken, kann eine solche Argumentation, wenn Sie eine bestimmte Definition des Begriffs „nichts“ akzeptieren, erklären, wie das Universum aus dem Nichts entstehen kann. Aber sie erklären nicht und versuchen nicht einmal zu erklären, warum etwas existiert - warum diese Entwicklung der Wellenfunktion oder warum sogar dieses ganze System von „Wellenfunktionen“ und „Hamiltonianern“ der richtige Weg ist, über das Universum zu argumentieren. Und vielleicht interessieren Sie sich nicht für diese Themen, und niemand hat das Recht, Ihnen das Recht zu nehmen, sich nicht für sie zu interessieren. Wenn der Untertitel Ihres Buches jedoch lautet: „Warum gibt es etwas und nicht nur nichts?“, verzichten Sie tatsächlich auf das Recht, sich nicht dafür zu interessieren.

Hilft uns die Entwicklung der modernen Physik und Kosmologie, diese Fragen zu beantworten, warum es überhaupt etwas gibt, das "Universum" genannt wird, warum es solche Dinge wie die "Gesetze der Physik" gibt, warum diese Gesetze die Form der Quantenmechanik annehmen, warum eine solche Wellenfunktion und Hamiltonianer? Kurz gesagt, nein. Mir ist nicht klar, wie sie das machen könnten.

Manchmal geben Physiker vor, diese Fragen zu beantworten, was sehr schlecht ist, weil sie nur faul sind und nicht versuchen, über dieses Problem sorgfältig nachzudenken. Sie können zum Beispiel Aussagen hören, dass sich unsere Gesetze der Physik als die einzig denkbare oder einfachste Art von denkbaren Gesetzen herausstellen könnten. Dies ist jedoch eindeutig nicht der Fall. Im Rahmen der Plattform der Quantenmechanik gibt es unendlich viele mögliche Hilbert-Räume und unendlich viele mögliche Hamiltonianer, von denen jeder einen absolut zulässigen Satz physikalischer Gesetze definiert. Und nur einer von ihnen kann richtig sein, daher ist es absurd zu behaupten, dass unsere Gesetze die einzig möglichen sein können.

Aufrufe zur Einfachheit helfen auch hier nicht weiter. Das Universum könnte der einzige Punkt sein, der sich zeitlich nicht ändert. Oder ein einzelner Oszillator, der endlos hin und her schwingt. Das wäre sehr einfach. Irgendwie mag eine bestimmte Definition von Einfachheit erscheinen, nach der sich unsere Gesetze als die einfachsten herausstellen werden, aber es wird immer andere geben, nach denen sie sich unterscheiden. In jedem Fall könnten wir uns dann die Frage stellen, warum Gesetze einfach sein sollten. Ebenso beantwortet die Aussage „Vielleicht sind alle physikalischen Gesetze irgendwo real“ unsere Frage nicht. Warum sind alle physikalischen Gesetze real?

Andererseits sprechen moderne Kosmologen manchmal über andere Gesetze der Physik im Kontext des Multiversums und schlagen vor, dass wir aus grundlegend anthropischen Gründen eine Reihe von Gesetzen und keine andere sehen. Aber auch dies ist einfache Schlamperei. Wir sprechen über die energiearme Manifestation von Grundgesetzen, aber diese Grundgesetze sind im gesamten Multiversum gleich. Wir haben immer noch die Frage nach der Existenz dieser tiefsitzenden Gesetze, die das Multiversum schaffen.

Ende der Erklärung

All diese Fragen sind interessant zu stellen, und keine von ihnen wird von der modernen Physik oder Kosmologie beantwortet. Zumindest ist es interessant, sie anzuheben, aber aus meiner Sicht wäre die beste Antwort, sie schnell wieder abzusenken. An diesem Punkt sind wir wohlgemerkt bereits zu einem rein philosophischen und nicht zu einem wissenschaftlichen Problem gekommen.

Die Fragen „warum“ existieren nicht in der Leere; Sie sind in einer Art erklärendem Kontext sinnvoll. Wenn wir fragen: "Warum hat das Huhn die Straße überquert?" [beliebtes Thema von kurzen Witzen / ca. transl.] verstehen wir, dass es solche Dinge wie Straßen gibt, sie haben besondere Eigenschaften, und Dinge, die als „Hühner“ bezeichnet werden, haben unterschiedliche Ziele und Motivationen, und es gibt Dinge, die auf der anderen Straßenseite existieren oder andere Vorteile ihres Übergangs. Nur in diesem Zusammenhang kann eine aussagekräftige Antwort auf die Frage „Warum“ angeboten werden. Das Universum und die Gesetze der Physik sind jedoch nicht in einen größeren Kontext eingebettet. Soweit wir wissen, ist dies bereits der größte der vorhandenen Kontexte. Es ist nichts Falsches daran zuzugeben, dass die Folge von Erklärungen irgendwo abbricht, und die einzige verbleibende Erklärung könnte sein, "nur dass alles arrangiert ist".

Gut oder nicht. Wir müssen gute Empiriker sein und offen sein für die Möglichkeit, dass das, was wir als Universum betrachten, in einem größeren Kontext existiert. Aber dann werden wir dies wahrscheinlich als das Universum neu definieren und bei den gleichen Fragen bleiben. Solange Sie anerkennen, dass das Universum mehr als einen denkbaren Existenzweg hat, wird die Erklärungskette immer ein Ende haben. Ich kann mich irren, aber darauf zu bestehen, dass „das Universum sich selbst erklären muss“, ist ziemlich unbegründet.

Geräusche und Furien

Folgendes kann ich zu diesen interessanten Fragen sagen, aber ich habe nicht genug Kraft, um mich einigen Kommentaren zu Verfahrensfragen zu widersetzen.

Erstens denke ich, dass Lawrences Buch als Teil der populären Debatte "Atheismus gegen Theismus" viel sinnvoller ist als nur eine gründliche philosophische Untersuchung des alten Problems. Das Nachwort zu dem Buch wurde von Richard Dawkins geschrieben , und Lawrence bat Christopher Hitchens zunächst um diesen Dienst, obwohl er noch nicht sehr krank war - und beide Menschen sind, obwohl sie sehr klug sind, weder Kosmologen noch Philosophen. Wenn Sie Aussagen über die Notwendigkeit der Existenz (oder Nützlichkeit) des Schöpfers im Rahmen des kosmologischen Schemas ablehnen wollen, dann kommt die obige Argumentation über die "Schöpfung aus dem Nichts" wirklich zum Tragen. Das physische Universum kann vollkommen autark sein; Sie braucht nichts und niemanden draußen, um es zu starten, selbst wenn sie einen „Anfang“ hatte. Dies beantwortet nicht die klassische Leibniz-Frage, aber es besteht praktisch kein Zweifel daran, dass diese Tatsache eine bemerkenswerte Eigenschaft der modernen Physik ist und interessante Konsequenzen für die fundamentale Kosmologie hat.

Zweitens kritisierte Lawrence nach dem Erscheinen der Rezension von David erfolglos die „idiotischen Philosophen“ und die gesamte Philosophie, anstatt weiterhin eine bedeutungsvolle Diskussion über interessante Themen zu führen. Wie die meisten Wissenschaftler erhält Lawrence wenig von der Wissenschaftsphilosophie. Aber das Ziel der Philosophie ist nicht, der Wissenschaft nützlich zu sein, nicht mehr als der Mykologie - Pilzen. Wissenschaftsphilosophen versuchen nicht, Wissenschaft zu betreiben, sie versuchen zu verstehen, wie Wissenschaft funktioniert und wie sie funktionieren sollte, wählen die Logik und Standards, die der wissenschaftlichen Argumentation zugrunde liegen, stellen wissenschaftliche Erkenntnisse in einen breiteren erkenntnistheoretischen Kontext und tun viele andere interessante Dinge, nicht vorgeben, Wissenschaft zu sein. Und wenn Sie nicht interessiert sind, na gut. Aber Sie sollten nicht versuchen, die Legitimität der Existenz der Region durch Angriffe in ihre Richtung zu untergraben - dies ist dumm und nicht intellektuell, und es ist nur die Unwilligkeit, mit Forschern aus einem anderen Bereich respektvoll zu streiten, was wir in Bezug auf die Wissenschaft bedauern. Es ist schade, dass kluge Leute, die sich auf die meisten wichtigen Dinge einigen, nicht anders können, als sich auf alles andere zu einigen, ohne Beleidigungen auszutauschen. Wir müssen versuchen, darüber zu sein.