Vier wissenschaftliche Definitionen des Begriffs "nichts"

Das Universum ist ein riesiger, vielfältiger und interessanter Ort voller Materie und Energie in verschiedenen Formen. und all dies wird auf der Bühne der Raum-Zeit in Übereinstimmung mit den Gesetzen der Physik gespielt. Dies wird durch dieses Foto aus dem Hubble-Teleskop veranschaulicht, das einen Galaxienhaufen IDCS J1426.5 + 3508 zeigt . Und wie viel muss alles entfernt werden, bevor uns wirklich etwas übrig bleibt?

Wenn wir unsere Welt und unser Universum beobachten, reflektieren und argumentieren wir über alles, was darin enthalten ist. Dies sind verschiedene Teilchen, Atome, Menschen sowie Planeten, Sterne, Galaxien und die größten Strukturen. Je nachdem, was uns interessiert, können wir über Gas, Staub, Strahlung, Schwarze Löcher oder sogar dunkle Materie sprechen. Aber alles, was wir sehen, beobachten oder dessen Existenz wir vermuten, könnte nicht für immer existieren. Ein Teil davon entstand aus bereits existierender Materie, während der andere anscheinend ganz aus dem Nichts entstand. Es ist nicht überraschend, dass nicht jeder dem, was wir wissenschaftlich meinen, mit den Worten "nichts" zustimmt. Je nachdem, wen (oder wann) Sie fragen, können Sie eine der folgenden vier Antworten erhalten. Und deshalb sind sie uns alle wichtig.


Die einsamste Galaxie im Universum - es gibt keine andere Galaxie in der Nähe, in einer Entfernung von 100 Millionen Lichtjahren. Dies kann jedoch nicht als echte Repräsentation des leeren Raums bezeichnet werden.

1) Der Zeitpunkt, zu dem Ihre Interessen nicht existierten. Wie hat das Universum Planeten erschaffen? Was ist mit den Sternen? Was ist mit der Asymmetrie der Materie? Diese Objekte existierten nicht immer, sie mussten erstellt werden. Wenn der Mechanismus ihres Auftretens bekannt ist, sagen wir normalerweise, dass unser Thema von etwas geschaffen wurde und nicht von nichts. Planeten entstehen aus den Fragmenten früherer Generationen von Sternen, in deren Kernen schwere Elemente erzeugt wurden, die dann in den interstellaren Raum geworfen wurden. Sterne entstehen aus kontrahierenden Gaswolken, in denen ausreichend dichte und heiße Regionen auftreten, die die Kernfusion entzünden können. Planeten und Sterne sind Materie, die aus einer früheren Form von Materie hervorgegangen ist. Sie sind aus etwas geschaffen, nicht aus nichts.


Der Urknall schuf Materie, Antimaterie und Strahlung, und irgendwann wurde etwas mehr Materie geschaffen, dank derer unser heutiges Universum entstand. Wie ist diese Asymmetrie in einem Prozess entstanden, der symmetrisch begann - diese Frage bleibt bisher offen.

Aber die Sache, die wir heute haben, kam nicht von einigen, die vorher existierten. Irgendwann in der fernen Vergangenheit bestand das Universum zu gleichen Teilen aus Materie und Antimaterie; Die uns bekannten Gesetze der Physik erlauben es uns, sie nur zu gleichen Anteilen zu erschaffen. Das heutige Universum besteht jedoch fast ausschließlich aus Materie und nicht aus Antimaterie. Alle Milliarden von Milliarden von Galaxien, die wir kennen, bestehen aus Materie, nicht aus Antimaterie. Woher kam die Asymmetrie? Es kam aus einem früheren Zustand, der symmetrisch war; aus einem Zustand, in dem Materie und Antimaterie gleichermaßen geteilt waren. Aus der Zeit, als es keine Asymmetrie gab. Einige glauben, dass dies bedeutet, dass die Sache, die wir heute haben, aus dem Nichts entstanden ist - obwohl andere Leute mit ihnen argumentieren und sich strikt an andere Definitionen von "nichts" halten.

Und doch argumentiert niemand, dass das wissenschaftliche Problem der Baryogenese oder die Grundursache für die Asymmetrie von Materie / Antimaterie eines der belastendsten Geheimnisse der modernen Physik ist. Viele Ideen und Mechanismen für das Erscheinen von Materie wurden erfunden (anstelle von Antimaterie), aber wir haben keine Beweise, um einen Gewinner unter ihnen zu erklären.


Das Standardmodell der Teilchenphysik beschreibt drei von vier Wechselwirkungen (alle außer der Schwerkraft), den gesamten Satz offener Teilchen und alle ihre Wechselwirkungen. Dank der begleitenden Quantenfeldtheorie können wir auch die Eigenschaften des Quantenvakuums herausfinden.

2) Leerraum. Stellen Sie sich alles vor, was heute im Universum existiert. Stellen Sie sich alle grundlegenden Komponenten der Materie vor. jedes Strahlungsquantum; jedes schwarze Loch; jede Masse; jedes Teilchen und Antiteilchen. Stellen Sie sich nun vor, wir hätten das alles entfernt. Stellen Sie sich vor, sie wären aus dem Universum verschwunden und hätten nur leeren Raum zurückgelassen. Was genau würde danach bleiben? Einige sagen, dass nichts mehr übrig wäre, und eine solche Definition passt zu ihnen.


Eine Visualisierung der Quantenfeldtheorie, in der die Berechnungen die virtuellen Teilchen eines Quantenvakuums demonstrieren. Selbst im leeren Raum ist die Energie des Vakuums nicht gleich Null.

Aber die als Raum-Zeit bekannte Entität bleibt wie alle Gesetze der Physik bestehen. Alle im leeren Raum vorhandenen Felder, einschließlich des Higgs-Feldes, und der Quantenfelder, die wir häufig als entstehende und verschwindende Teilchen-Antiteilchen-Paare darstellen, existieren noch. Physikalische Gesetze wie die Quantenfeldtheorie funktionieren immer noch; Es gibt eine allgemeine Relativitätstheorie; Grundkonstanten existieren und haben ihre Bedeutung nicht geändert. Das Leerraumvakuum selbst hat keine andere Energie als Null. Heute manifestiert es sich als dunkle Energie und war in der fernen Vergangenheit mit einem völlig anderen Wert ungleich Null die Hauptkraft hinter der kosmologischen Inflation. Wenn sie sagen, dass das Universum aus dem Nichts entstanden ist, meinen sie normalerweise nur ein solches „Nichts“: den heißen Urknall, der durch die Inflation erzeugt wird.


Bild eines flachen leeren Raums ohne Materie, Energie oder Krümmung. Wenn dieser Raum die niedrigstmögliche Nullenergie hat, kann er nicht reduziert werden

3) Ein leerer Raum mit der geringstmöglichen Energie. Was wäre, wenn die Nullenergie des Universums auf seinen Grundzustand reduziert würde? Am Ende der Inflation fiel die Vakuumenergie im Universum sehr stark ab: vom Inflationsbalken auf den aktuellen Wert. Dieser Rückgang der Energie im leeren Raum führte zu einem enormen Anstieg der Teilchenenergie und löste einen heißen Urknall aus. Es gibt jedoch keine Garantie dafür, dass wir uns jetzt im wirklich minimal möglichen Energiezustand befinden. Es ist möglich, dass wir uns in einem Zustand falschen Vakuums befinden, und das wahre Vakuum erwartet uns nach einem weiteren katastrophalen Übergang, der das Universum verändern wird.


Skalarfeld φ in einem falschen Vakuum. Es ist zu beachten, dass die Energie E höher ist als im wahren Vakuum oder Grundzustand, aber es gibt eine Barriere, die verhindert, dass das Feld auf wahr abrutscht. Zum Zeitpunkt der Inflation befand sich das Universum nicht in einem Zustand echten Vakuums. Es ist möglich, dass es nicht einmal heute ist.

Was bleibt übrig, wenn Sie diesen wahren Grundzustand erreichen, was auch immer er sein mag, und alle Materie, Energie, Strahlung und Wellen der Raumzeit aus dem Universum entfernen? Dies ist wahrscheinlich die endgültige Vorstellung davon, was „physisches Nichts“ sein kann: Sie haben immer noch eine Szene, die das Universum spielen kann. Es hat vielleicht keine Spieler, Rollen, Drehbücher, aber im großen Abgrund hat „nichts“ noch eine Szene. Das Raumvakuum hat einen Mindestwert. Es wird keine Hoffnung geben, Arbeit, Energie oder reale Teilchen daraus zu extrahieren, aber Raum-Zeit und die Gesetze der Physik werden weiterhin existieren. Wenn Sie einem solchen Universum ein Teilchen hinzufügen, unterscheidet es sich theoretisch nicht von dem isolierten Teilchen, das heute in unserem Universum existiert.


Die gesamte Menge der heute im Universum verfügbaren Entitäten hat ihren Ursprung im heißen Urknall. Darüber hinaus könnte das heutige Universum nur aufgrund der Eigenschaften der Raumzeit und der Gesetze der Physik erscheinen. Ohne sie könnten wir in keiner Form existieren

4) Alles, was bleibt, wenn Sie das gesamte Universum und die Gesetze, die es regeln, entfernen. Und schließlich können Sie sich vorstellen, wie wir alles entfernen, einschließlich Raum, Zeit und die Regeln für alle Teilchen oder Energiequanten. Dies schafft die Art von „Nichts“, für die es in der Physik keine Definition gibt. Dies geht über das im Universum existierende „Nichts“ hinaus und wird stattdessen zu einem philosophischeren, absoluten „Nichts“. Aber im Kontext der Physik gibt eine solche Definition von "nichts" keine Bedeutung. Wir müssten annehmen, dass es einen Zustand außerhalb der Raumzeit gibt, in dem Raum und Zeit aus diesem hypothetischen Zustand des wahren „Nichts“ hervorgehen können.

Ist es möglich? Wie erscheint Raumzeit an einem bestimmten Ort, wenn kein Raum existiert? Wie kann man den Beginn der Zeit schaffen, wenn es kein Konzept wie „früher“ gibt, wenn es keine Zeit gibt? Und woher kommen dann die Regeln für Partikel und ihre Wechselwirkungen? Bedeutet zumindest etwas diese letzte Definition von „nichts“ oder ist es nur eine logische Konstruktion, die keine physikalische Bedeutung hat?


Schwankungen der Raum-Zeit auf einer Quantenskala während der Inflation erstreckten sich über das gesamte Universum und führten zu Unvollkommenheiten in der Dichte und den Gravitationswellen. Und obwohl Raum in einem Inflationszustand zu Recht in vielerlei Hinsicht als „nichts“ bezeichnet werden kann, sind sich nicht alle einig.

In dieser Frage besteht kein Konsens. Aufgrund der Mehrdeutigkeiten der menschlichen Sprache kann man „nichts“ sagen, was eine dieser Definitionen bedeutet, und Puristen werden sich darauf freuen, Sie anzuschreien, weil Sie es gewagt haben, das Wort „nichts“ in einem Kontext zu verwenden, der weniger rein ist als ihre Definition. Wenn etwas tatsächlich dort aufgetaucht ist, wo zuvor noch nichts dergleichen passiert ist, kann es als nichts bezeichnet werden, aber nicht jeder wird dem zustimmen. Wenn Sie alle Materie, Antimaterie, Strahlung und sogar räumliche Krümmung entfernen, können wir zuversichtlich sagen, dass das, was übrig bleibt, nichts sein wird - aber nach einer solchen Reinigung bleibt noch etwas übrig. Wenn Sie die gesamte dem Raum selbst innewohnende Energie entfernen und nur die Raumzeit und die Naturgesetze belassen, kann dies auch als "nichts" bezeichnet werden. Aber aus philosophischer Sicht werden einige Menschen immer noch unzufrieden bleiben. Und nur wenn sie diesen Rest entfernen, können sie zustimmen, dass der Rest "nichts" genannt werden kann.


Die Existenz von Partikeln und Antiteilchen des Standardmodells wurde aufgrund der Gesetze der Physik vorhergesagt. Kann ohne diese Gesetze und ohne eine Raum-Zeit-Szene etwas Greifbares erscheinen?

Also wer hat recht? Alle auf ihre Weise. Es geht nicht darum, darüber zu streiten, was wahres „Nichts“ ist, sondern diese Definitionen und ihre Verwendung zu akzeptieren und zu verstehen. Es ist wichtig, das eine nicht mit dem anderen zu verwechseln und sich nicht darüber zu streiten, warum Sie das Wort nicht auf eine bestimmte Weise verwenden können. Wenn stattdessen jemand - und insbesondere ein Wissenschaftler - das Wort „nichts“ verwendet, versuchen Sie genau zu verstehen, welche Bedeutung er meint und welches Phänomen er zu erklären versucht. Denn trotz aller Vorstellungskraft basiert das einzig wahre Modell, etwas zu wissen, auf dem, was wir in unserer physischen Realität testen können. Alles andere, egal wie logisch es auch klingen mag, wird nur ein Konzept unseres Geistes sein.