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Stringtheorie und die Idee vom Multiversum

Gibt es neben unserem Universum noch weitere Universen?
Die Stringtheorie einfach erklärt?! Sie ist nicht einfach zu erklären. Jahrzehntelange Arbeit lassen sich nicht mit ein paar Sätzen ausdrücken und so ist der Artikel doch etwas länger geworden. Obwohl er nur eine kurze Zusammenfassung dreier Bücher ist, welche am Ende dieses Artikels empfohlen werden.


Wir müssen uns wohl darauf einstellen, dass es eine Zeit vor dem Urknall gab. Der Urknall stellt lediglich den Moment dar, an dem unser Universum entstand. Es stellt sich die Frage, ob es auch schon Naturgesetze vor dem Urknall gab. Es gibt bereits einige Anzeichen dafür, dass sich die Physik auf einen dramatischen Paradigmenwechsel bezüglich unseres Verständnisses von Raum und Zeit vorbereitet, ja dass sich dieser sogar bei einigen Physikern bereits vollzogen hat.

- Prof. Dieter Lüst, Physiker.

Das Multiversum könnte die Weltanschauung des 21. Jahrhunderts werden. Wer jedoch das Multiversum akzeptiert, stellt sich gegen die bisherigen wissenschaftlichen Prinzipien, z.B. der Falsifizierbarkeit. Parallelwelten sind für uns unerreichbar, und somit nicht beweisbar.

Dürfen Wissenschaftler trotzdem über sie sprechen? Diese Frage teilt die Wissenschaft in zwei Lager. Die einen halten an den wissenschaftlichen Prinzipien der empirischen Forschung fest. Die anderen sehen die Stringtheorie als Befreiung der Wissenschaft. Der Astrophysiker Max Tegmark steht auf der Seite der Stringtheoretiker: „Wer an der empirischen Forschung festhalten will, würde sich wie ein Vogel-Strauß benehmen, der seinen Kopf in den Sand steckt und nur das erforscht, was er sehen kann.“ - Der Kampf hat also begonnen.

Einsteins Relativitätstheorie lehrt uns, dass unser Universum aus 3 Raumdimensionen und einer Zeitdimension besteht. Die Zeit ist die 4. Dimension und ist fest mit den 3 Raumdimensionen verbunden. Darum sprechen wir auch von unserer „Raumzeit“. Einsteins Relativitätstheorie erklärt eine von unseren 4 Naturkräften: Die Gravitation. Sie sei eine Kraft, welche nicht auf die Wechselwirkung zwischen Teilchen zurückzuführen sei, sondern auf die Krümmung der Raumzeit.

Neben der Gravitation gibt es noch 3 weitere Naturkräfte:

- Elektromagnetismus
- Schwache Kernkraft
- Starke Kernkraft.

Diese drei Naturkräfte beschreiben die Wechselwirkungen der kleinsten Teilchen in der Quantentheorie, woraus die geläufige Meinung entstand, die Quantentheorie sei nur im Mikrokosmos, also im Bereich der Atome gültig.
Die Quantentheorie und die Relativitätstheorie wollen aber überhaupt nicht zueinander passen. Versucht man sie zu einer einheitlichen Formel zu verbinden, so entstehen gravierende Widersprüche.

Die Stringtheorie ist bislang das einzige mathematische Konstrukt, das es schafft, die 4 Naturkräfte in einer einheitlichen Formel zu beschreiben. Dazu ist es erforderlich, auch die Gravitation zu quantisieren, was bislang am Fehlen eines Teilchens scheitert, dem Graviton. Die Stringtheorie sagt die Existenz des Gravitons voraus und Forscher versuchen, mit dem Teilchenbeschleuniger LHC am CERN bei Genf die Existenz dieses Teilchens zu beweisen. Sollte die Gravitation auf die Wechselwirkung von Teilchen zurückzuführen sein, dann ließe sich das gesamte Universum quantenmechanisch beschreiben. Der Nachweis des Gravitons wäre ein wesentliches Indiz für die Richtigkeit der Stringtheorie.


Aber was sind denn nun eigentlich Strings?

Es ist noch nicht allzu lange her, da war man der Meinung, Atome seien die kleinsten, unteilbaren Teilchen. Dann entdeckte man, dass Atome aus weiteren, noch kleineren Teilchen bestehen: Elektronen, Protonen und Neutronen. Als die Teilchenphysiker in riesigen Beschleunigeranlagen Protonen aufeinander schossen, stellten sie fest, dass es noch kleinere Teilchen gibt. Diese kleinsten Teilchen sind unter dem Begriff „Teilchen-Zoo“ bekannt geworden. Sie nennen sich Hadronen, Leptonen, Eichbosonen, Quarks und Baryonen. Insgesamt 16 solcher Teilchen sind bekannt und sie bilden das, was wir als Materie kennen.

Die Stringtheorie sagt voraus, dass diese Teilchen nicht aus punktförmigen Teilchen bestehen, sondern aus Fäden (Strings). Bei den Strings handelt es sich um 1-dimensionale Objekte. Sie haben keine räumliche Ausdehnung im klassischen Sinne. Denn sie verfügen nur über eine Länge und haben weder Breite noch Höhe. Es sind mathematische Objekte mit einer gewissen Portion an Energie. Der Name „String“ dient lediglich dazu, diese Objekte zu verdinglichen. Je nachdem, wie viel Energie ein String trägt, nimmt er die Rolle eines Elementarteilchens an. Aber was ist eigentlich Energie? Energie ist nichts Substanzielles sondern pure Mathematik. So schreibt Max Tegmark, dass wir bei der Erforschung der Materie feststellen, dass am Ende nichts Substanzielles übrig bleibt sondern nur Zahlen.

 

Die Kopenhagener Deutung der Quantenmechanik

Die Kopenhagener Deutung (oder „Halt's Maul und rechne!“ - Interpretation) geht auf den Physiker Niels Bohr zurück. Sie wurde 1927 auf einer Tagung in Kopenhagen formuliert. Die Physiker einigten sich darauf, dass die Gültigkeit der Quantenmechanik bis zu den Messinstrumenten besteht, und nicht weiter. So wird manchmal auch Wissenschaft gemacht – per Handzeichen sozusagen.
Dabei gibt die Quantentheorie den Kollaps der Wellenfunktion überhaupt nicht her. Die Kopenhagener Deutung ist eben nur das: Eine Deutung.

Die Interpretation trifft im Wesentlichen folgende Aussage: Bis zum Zeitpunkt der Messung existieren alle Wahrscheinlichkeiten gleichzeitig. Ein Teilchen befindet sich bis zur Messung an allen wahrscheinlichen Orten gleichzeitig. Dies nennt man Superposition. Das Teilchen befindet sich bis zur Messung überall dort, wo die Wahrscheinlichkeitswelle größer als Null ist.

Erst bei der Messung kollabiert die Welle und das Teilchen wird zum Ding. Bei der Messung manifestiert sich aus der Vielzahl von Möglichkeiten eine Möglichkeit. Diese Tatsache lässt sich sehr schön mit dem Doppelspaltexperiment zeigen. Weil man aber im Makrokosmos keine Superpositionen beobachten kann, wird davon ausgegangen, dass die Quantentheorie auf die Welt der Atome beschränkt ist – „bis zu den Messinstrumenten und nicht weiter!“


So weit so gut – ab jetzt wird’s verrückt!

Hugh Everett ist Gründer der Viele-Welten-Interpretation. Unterstützt wurde er von der Physiker-Eminenz John Wheeler. Everett reiste 1959 nach Kopenhagen, um Niels Bohr seine grandiose Idee zu präsentieren. Doch Bohr weigerte sich, die „Emporkömmlingstheorie“ zu diskutieren. Everett war so sehr enttäuscht, dass er sich der Physik abwandte und Unternehmer wurde, und zwar ein erfolgreicher.

Everett hatte die Idee, dass das gesamte Universum quantenmechanisch ist. Der Grund, warum wir im Makrokosmos keine Superposition erkennen können, sei folgender:

Wenn das Universum quantenmechanisch ist, dann bildet der Beobachter mit dem Beobachteten ein verschränktes System. Das hat zur Folge, dass bis zum Zeitpunkt der Messung alle Möglichkeiten bestehen und auch nach dem Zeitpunkt der Messung alle Möglichkeiten weiterhin bestehen. Nicht die Wahrscheinlichkeitswelle kollabiert, sondern das Universum teilt sich in alle Möglichkeiten.
Und der Grund dafür, dass quantenmechanische Phänomene im Alltag nicht zu beobachten sind, sei der, dass der Beobachter sich mit dem Universum teilt. Everett war der Meinung, dass es neben unserem Universum noch eine Vielzahl weiterer Universen gibt.


Das inflationäre Universum und das Multiversum

"Laut Inflationstheorie sind die mehr als hundert Milliarden Galaxien, die im All wie himmlische Diamanten schimmern, nichts als Quantenmechanik, die in großen Buchstaben an den Himmel geschrieben wurde. Für mich ist diese Erkenntnis eines der größten Wunder des modernen wissenschaftlichen Zeitalters."
- Brian Greene, Physiker

Die Theorie des inflationären Universums beschreibt unser Universum in einem Schaumbad von Blubberblasen. Die Theorie besagt, dass sich unser Universum innerhalb einer Substanz befindet, welche sich inflationär, also rasend schnell ausdehnt, mit einer Geschwindigkeit, die jenseits der Lichtgeschwindigkeit liegt. Während sich diese Substanz ausdehnt, entstehen Hohlräume bzw. Blasen. Unser Universum ist eines dieser Hohlräume. Die Theorie des inflationären Universums sagt automatisch die Existenz weiterer Universen voraus. Könnten wir nur weit genug schauen, dann könnten wir sie vielleicht sehen. Aber weil sich die Universen mit Überlichtgeschwindigkeit voneinander entfernen, wird uns das niemals gelingen. Dennoch ist die Theorie des inflationären Universums eine anerkannte Theorie unter Kosmologen. Denn die wissenschaftliche Untersuchung der Kosmischen Hintergrundstrahlung durch die COBE - und WMAP Satelliten zeigt, dass die Geometrie unseres Universums für die Existenz des Inflationären Universums spricht. Oder anders gesagt: Die Geometrie unseres Universums ist mit dem bisherigen Urknallmodell nicht zu erklären. Wer jedoch das inflationäre Universum akzeptiert, muss auch die Existenz weiterer Universen akzeptieren.

 


Neben der Theorie des Inflationären Universums trifft auch die Stringtheorie die Vorhersage über weitere Universen. Ein Deutscher Physiker und Vertreter der Stringtheorie ist Prof. Dieter Lüst. Er ist Direktor des Max-Planck-Instituts für Physik. Das anfängliche Problem der Stringtheorie bestand darin, dass die Stringtheorie sehr viele Variationen zulässt. Es gibt sehr viele Variationen innerhalb der Stringtheorie, deren jeweiligen Variablen unterschiedliche Naturgesetze ergeben. Die Anzahl der Variationen ist unvorstellbar groß. Sie beträgt 10500. Zum Vergleich dazu sind seit dem Urknall bis jetzt ca. 1017Sekunden vergangen.

Als der Physiker Leonard Susskind diese unglaublich große Anzahl an Variationen sah, wollte er zunächst der Stringtheorie abdanken. Bei so vielen Variationen könne man ja gleich jede x-beliebige Theorie zulassen. Er grübelte lange darüber nach und dann kam ihm eine Idee: Was ist, wenn die Stringtheorie richtig ist und jede Variation für ein existierendes Universum steht? Die Vorstellung, dass es 10500 Möglichkeiten gibt, um unser Universum zu beschreiben, sei falsch. Sondern für jede Variation gibt es auch ein existierendes Universum. Sollte das stimmen, dann würde die Stringtheorie die Existenz von 10500Universen vorhersagen.


Welche Variation beschreibt nun unser Universum?

 

Die Suche nach der Nadel im Heuhaufen ist hier eindeutig untertrieben. Stringtheoretiker suchen unter der Vielzahl der Varianten die Konstellation, welche unser Universum beschreibt.
Bislang galt das Anthropische Prinzip unter Physikern als verpönt. Das Anthropische Prinzip sagt aus, dass das Universum für die Entstehung von Leben maßgeschneidert ist. Dieser Gedanke beinhaltet irgendwie den Vorgang eines Schöpfungsakts. Warum sind die Naturkonstanten in unserem Universum genau so und nicht anders? Z.B. lässt sich die Feinstrukturkonstante heute sehr genau messen. Sie beträgt genau 7,2073525376(59) x 10-3. Würde dieser Wert auch nur geringfügig abweichen, so gäbe es in unserem Universum keine Atome. Diese Zahl erscheint willkürlich. Sie ist jedoch das Ergebnis von 1/137. Warum genau dieser Wert und kein anderer? Kritiker sagen, dass das Universum natürlich so beschaffen sein muss, dass darin Leben entstehen kann. Sonst würde es uns ja auch nicht geben. Also brauchen wir uns nicht darüber zu wundern, uns in einem Universum vorzufinden, dass die Existenz von Leben erlaubt. Diese Kritik ist berechtigt. Jedoch erklärt sie nicht, woher der Wert 1/137 kommt.

Die Stringtheorie ist eine unserem Universum übergeordnete Theorie und liefert eine Erklärung: Es gibt eine Vielzahl von Universen. Die Entstehung der Universen unterlag quantenmechanischen Gesetzen. Das bedeutet, dass alle Möglichkeiten realisiert wurden und wir befinden uns in dem Universum mit dem Wert 1/137.

So greifen Physiker nun auf das Anthropische Prinzip zurück und suchen unter der Vielzahl der Gleichungen diejenigen heraus, unter welchen die Voraussetzungen für die Entstehung von Leben von Anfang an gegeben waren.


Zusammenfassend gesagt ergeben sich Hinweise auf die Existenz von Parallelwelten aus der Viele-Welten-Interpretation der Quantenmechanik, aus der Theorie des Inflationären Universums und aus der Stringtheorie.

 

Die philosophischen Folgen.

Nach der Stringtheorie teilt sich das Universum mit jeder Entscheidung, die Sie und alle anderen Menschen treffen. Alle Möglichkeiten bestehen weiterhin. Wenn Sie an einer Kreuzung stehen, und sich entscheiden links abzubiegen, dann sind sie in einem anderen Universum rechts abgebogen. Es gibt zahlreiche Universen, in welchen Sie gerade genauso vor dem Computer sitzen und sich über das hier wundern. Es gibt aber auch Universen, in welchen Sie vielleicht einen anderen Beruf haben oder in welchen es sie gar nicht gibt, weil sich ihre Eltern nicht kennen gelernt haben. Es gibt Welten, in welchen die Dinosaurier nicht ausgestorben sind. Alle Möglichkeiten existieren gleichzeitig in verschiedenen Universen.

 

Kritiker wenden ein, dass es keinen physikalischen Prozess gibt, der ein ganzes Universum teilen kann. Wie soll sich bei jeder Entscheidung, die Sie treffen, das Universum mit all seiner Größe und Materie teilen und das so schnell, dass wir es gar nicht wahrnehmen?

Der Astrophysiker Max Tegmark liefert mit seinem neu erschienen Buch „Our Mathematical Universe“ eine atemberaubende Erklärung:

„Ich will sagen, wieso du hier bist. Du bist hier, weil du etwas weißt. Etwas, das du nicht erklären kannst. Aber du fühlst es schon dein ganzes Leben lang, dass mit der Welt etwas nicht stimmt. Du weißt nicht was, aber es ist da. Wie ein Splitter in deinem Kopf, der dich verrückt macht. Dieses Gefühl hat dich zu mir geführt.“

- Morpheus spricht mit Neo, Film Matrix

In der Stringtheorie gibt es einen Raum, welcher unserer Dreidimensionalität übergeordnet ist. Er wird als Hilbert-Raum bezeichnet und ist nur ein hypothetischer, mathematischer Raum, in welchem sich die Wellenfunktion der Quantenmechanik ereignet. Dieser Raum ist nicht mit unserem Raum vergleichbar. Es gibt dort keine Raumzeit, sondern es handelt sich bei diesem Raum um ein pures mathematisches Konstrukt. Der Hilbert-Raum enthält all die Mathematik, die unsere vertraute Dreidimensionalität beschreibt. Aber wo soll sich dieser Hilbert-Raum befinden?

Tegmark bringt das Bewusstsein des Beobachters ins Spiel.
Damit trennt er die äußere Realität von der inneren Realität. Und diese Realitäten sind grundverschieden. Die innere Realität ist diejenige, welche wir wahrnehmen. Alle Farben, Gerüche und Geräusche, alle Materie, ja das gesamte Universum einschließlich dem Beobachter, also das was wir als „Ich“ bezeichnen, ist ein und dasselbe – die innerer Realität.

Die äußere Realität ist der Hilbert-Raum. Die äußere Realität befindet sich außerhalb unseres Bewusstseins und ist ein pures mathematisches Konstrukt.

Damit würde sich das Universum, so wie wir es wahrnehmen, innerhalb unseres Bewusstseins befinden. Es ist unser Bewusstsein, dass sich die Informationen aus dem Hilbert-Raum beschafft und auf Basis dieser Informationen die Realität erzeugt.

Wie groß ist also das Universum? Man könnte auch die Frage stellen, wie groß ist der Raum in einem Traum? Er kann unendlich groß sein und doch existiert er nicht wirklich.


Tegmark ist überzeugt davon, dass unser Universum ein pures mathematisches Konstrukt ist. Und so sei auch die Teilung des Universums überhaupt kein Problem.
Dabei schafft Tegmark auch einen Kompromiss zwischen Determinismus und freiem Willen. Die Naturgesetze und die daraus resultierenden physikalischen Prozesse haben ihren Ursprung im Hilbert-Raum. Es sind rein mathematische Prozesse, vergleichbar mit einer Computersoftware. Tegmark vergleicht das mit dem Spiel Tetris. Die unterschiedlich-geometrischen Figuren fallen von oben herunter und gehorchen bestimmten „Naturgesetzen“. Nun sei es bei Tetris keine erfolgversprechende Spielweise, wenn man den Dingen einfach freien Lauf lässt. Und so sind wir die Spieler in dieser Welt, die innerhalb erlaubter Parameter den Verlauf der Dinge ändern können.

 



Buchempfehlung zum Thema Stringtheorie und Multiversum:


Quantenfische, Autor: Prof. Dieter Lüst, Physiker und Direktor des Max-Planck-Instituts.
Das Buch beinhaltet viel Mathematik und setzt Wissen über Elementarteilchen-Physik voraus. Es ist wohl eher geschrieben für den Physikstudenten, der in die Stringtheorie einsteigen möchte. Lüst ist überzeugt von der Stringtheorie. Das Inflationäre Universum, die Quantenmechanik und die Stringtheorie beschreiben ein und die selbe Sache: Das Multiversum.


Die verrückte Welt der Paralleluniversen, Autoren: Tobias Hürter und Max Rauner.
Es hat Spaß gemacht, dieses Buch zu lesen. Es kommt ganz ohne mathematischer oder physikalischer Fremdwörter aus. Vom Inflationären Universum bis hin zur digitalen Simulation wird hier alles erklärt, in einer für den Laien verständlichen Sprache.


Our Mathematical Universe, Autor Prof. Max Tegmark, Physiker.
Das Buch gibt es bis jetzt nur in englischer Sprache. Wer der englischen Sprache mächtig ist, der sollte sich das Buch auf jeden Fall gönnen. Tegmark ist der Überzeugung, dass unser Universum ein rein mathematisches Gebilde ist. Und nur so würde die Idee vom Multiversum und die Stringtheorie einen Sinn ergeben.

 

 

 

 

 

 

Stringtheorie und die Idee vom Multiversum

Für den Inhalt der Kommentare sind die Verfasser verantwortlich.


  1. KayKay schreibt am 06.03.2015 21:07

    Das Buch von Max Tegmark gibt's jetzt auch in deutscher Sprache!

    "unser mathematisches Universum"


  2. nopicTom *  schreibt am 26.09.2014 16:04
    Hallo,

    Sehr schöner Bericht. Ich liebe diese Seite und schaue regelmäßig rein.

    Gruß Tom