Das Multiversum – Hirngespinst oder doch Realität?Von Dipl.-Ing. G. Silbernagl |
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Was ist überhaupt ein Multiversum?
Wer von einem "Multiversum" spricht, setzt voraus, dass es Parallelwelten oder Paralleluniversen
gibt, die außerhalb "unseres" Universums existieren. Für Science-Fiction-Autoren
ist das sicher kein Problem, Physiker dagegen haben damit so ihre Probleme, wie wir im weiteren
sehen.
Wer braucht ein Multiversum?
Wie kommt man überhaupt auf die Idee, Universen zu postulieren, die von unserem irgendwie verschieden sind? Den wichtigsten Anlass bietet ein Paradoxon, das mit der Quantentheorie zusammenhängt und
mit Mitteln der klassischen Physik nicht zu erklären ist. Ich komme weiter unten noch darauf zurück. Ein anderer Anlass soll eine Frage sein, die für die heutige Physik
ebenfalls noch ein ungelöstes Rätsel ist: Wieso haben die Fundamentalkonstanten (Feinstrukturkontante, Gravitationskonstante u.a. - es gibt deren mehr als zwanzig) gerade solche
Werte, die die Existenz von Galaxien, Sternen und Planeten, ja letztlich uns selbst, erst ermöglichen? Immerhin müssen diese Naturkonstanten auf das Genaueste so sein, wie sie es
sind. Wären sie nur eine Winzigkeit anders, gäbe es unser Universum, wie es sich uns darstellt, nicht, Leben wäre in diesen Universen kaum möglich, und wenn doch, dann nur in
einfachster Form. Diese Naturkonstanten sind (bis heute zumindest) theoretisch nicht ableitbar, sie können nur gemessen werden.
Gibt es vielleicht irgendwo doch noch Universen, in denen
diese Naturkonstanten anders "eingestellt" sind? Und gibt es dann ein "Multiversum", also ein "Super-Universum", in dem "unser" Universum eins von vielen anderen ist?
Natürlich berühren beide Fragestellungen grundsätzlich andere Probleme und sind nicht miteinander vergleichbar. Aber immerhin ist es interessant, dass versucht wird, beide Fragestellungen mit Multiversums-Theorien zu beantworten.
Eine Lichtquelle L schickt einen kohärenten Lichtstrahl auf eine Blende B, die zwei eng
benachbarte Spalte aufweist. Auf einem Schirm S ergibt sich das bekannte Bild von abwechselnd hellen und dunklen Streifen als Interferenzfigur. Die Spalten wirken wie eigene Lichtquellen, und
die Lichteilchen überlagern sich am Schirm, wobei sie sich auf Grund ihrer Phasenlage entweder verstärken oder abschwächen. Was aber geschieht, wenn man tatsächlich nur ein
einziges Teilchen (Photon oder Elektron) auf die Reise schickt? Da nun kein zweites Photon vorhanden ist, dürfte keine Interferenzfigur entstehen. Man erhält erwartungsgemäß auf dem
Schirm nur einen Lichtpunkt. Schickt man nun aber viele Photonen einzeln und nacheinander (!) durch die Versuchseinrichtung (das geht auch mit Elektronen oder anderen Teilchen), so baut sich auf dem Schirm allmählich wiederum eine Interferenzfigur auf. Dieses Ergebnis ist mit der klassischen Physik nicht erklärbar. Nicht nur, dass das Photon als Teilchen seinen Weg beginnt und als Teilchen auf dem Schirm ein Signal ergibt, interferiert es offenbar mit sich selbst, fliegt also gleichzeitig (und das geht nur in Form einer Welle) durch beide Spalten der Blende. Damit nicht genug: Da ein Interferenzmuster entsteht, muss das Photon auch "wissen", wo es auf dem Schirm auftreffen muss, damit das Interferenzmuster entsteht. Auf dem Schirm ist es also wieder als Teilchen lokalisierbar. Leider versagt unser Begriffsvorrat, wenn wir uns mit diesen eigenartigen (Elementar-)teilchen befassen. Hört man etwas von "Teilchen", so stellt man sich automatisch etwas in der Art wie kleine massive Kugeln vor. Aber schon die Tatsache, dass "Teilchen" genau so gut auch Wellen sein können, bringt den "gesunden Menschenverstand" durcheinander. Man könnte natürlich auch einen neuen Begriff verwenden und dieses sonderbare Ding auch "Quant" nennen, sozusagen als (elementares) Energiequantum. Anschaulich wird es trotzdem nicht, denn es gibt keinen Gegenstand aus unserer Umwelt, der als Muster dienen könnte. Auch der Begriff "Korpuskel" hilft nicht unbedingt weiter, denn die hier geschilderten Versuche sind auch mit größeren Objekten, beispielsweise mit Atomen oder sogar mit ganzen Atomverbunden durchgeführt worden.Kehren wir zu unserem Versuch zurück. Das erste Interferenz-Ergebnis war schon irritierend genug. Es geht aber noch weiter. Denn wenn man auf der Blende 2 Löcher anordnet und neben den Löchern Detektoren anbringt, dann geschieht folgendes:
Bleiben wir also bei dem Begriff "Teilchen", aber behalten wir immer im Auge, dass wir es hier mit besonderen Materieformen zu tun haben, die sich nicht immer – aber manchmal eben doch – wie kleine Kugeln verhalten, auch wenn sie es nicht sind.
Die Kopenhagener Deutung
Bis in die 80er Jahre des 20. Jh. war
die sogenannte Kopenhagener Deutung als Erklärung dieses Versuchsergebnisses von den meisten Wissenschaftlern anerkannt. Niels
Bohr als Autor der Kopenhagener Deutung (er weilte damals in Kopenhagen) folgerte aus dem Experiment:
Das Teilchen, das durch die Versuchseinrichtung fliegt, ist eigentlich gar kein realers Teilchen. Es existiert als "Wahrscheinlichkeitswelle". Die Welle wäre aber keine materielle Welle. Sie gibt lediglich an, mit welcher Wahrscheinlichkeit das Elektron irgendwo lokalisierbar ist – das kann auch
außerhalb der Versuchseinrichtung sein oder beispielsweise auf dem Mars. Das Teilchen ist also nichtlokal, sein Aufenthaltsort ist in jedem Zeipunkt unbestimmt. Erst auf dem Bildschirm "bricht" diese Wahrscheinlichkeitswelle "zusammen" und das
Elektron ist wieder lokalisierbar. Damit "kennt" das Elektron nicht nur seinen geraden Weg von der Elektronenkanone zum Bildschirm, sondern auch die gesamte Versuchseinrichtung und –
wahrscheinlich – auch die gesamte Umgebung. Denn die Wahrscheinlichkeit kann nur immer kleiner werden, aber nicht verschwinden.
Wie kommt aber das Teilchen dazu, aus der Nichtlokalität zu entkommen und auf dem Schirm wieder lokalisierbar zu sein?
Nach der Bohrschen Meinung soll gelten: Erst wenn wir ein Teilchen nachweisen (also beobachten), wird es real. Folglich muss, um die
Wahrscheinlichkeitswelle zusammenbrechen zu lassen, ein Beobachter da sein. Die Versuchseinrichtung selbst kann diese Rolle nicht übernehmen, weil sie ja selbst aus Atomen besteht, die genau wie Photonen oder Elektronen der Quantenunschärfe unterliegen. Auch der Beobachter - wenn er ein materielles Wesen ist - , genügt noch nicht, da er ebenfalls aus Teilchen besteht. Er muss über etwas
verfügen, was nicht der Unschärfe der Teilchenexistenz unterliegt, und das ist sein Bewusstsein. Anders ausgedrückt: Nur ein mit Bewusstsein ausgestatteter Beobachter kann -
abhängig von der jeweiligen Versuchseinrichtung - die entsprechenden Eigenschaften (also Eigenschaften eines Teilchens, wenn die Versuchseinrichtung so konzipiert ist, oder aber die einer
Welle) bei einem Teilchen hervorrufen. Erst die Beobachtung des Teilchens lässt die Wahrscheinlichkeitswelle "zusammenbrechen". Vorher verharrt der Quant in einem "unbestimmten" Zustand, alle
Eigenschaften existieren nur als Möglichkeiten, aber nicht real.
Soweit die Kopenhagener Deutung. Leider gibt es ziemliche Ungereimtheiten bei dieser Theorie.Wenn alle stofflichen Dinge aus solchen Teilchen bestehen, die erst durch Beobachtung
real werden - was geschieht mit allen möglichen Dingen im Universum, die wir (noch) nicht sehen können? Existieren sie alle nur als "Wahrscheinlichkeitswellen"? Vor noch nicht allzu langer Zeit konnte man etwa 6000 Sterne am Himmel sehen. Mit heutigen modernen Teleskopen ist diese Zahl um einige Zehnerpotenzen größer.
Existierten diese nunmehr neu zu sehenden Sterne vorher nur als Wahrscheinlichkeitswellen? Wenn sie aber immer schon real waren, wer hat sie dann vorher beobachtet? Wie ist aber insbesondere
der Zustand des Elektrons zu verstehen, das noch nicht beobachtet wurde? Oder: Wenn seine Identität erst nach der Beobachtung "entsteht", was ist sie dann bis dahin? Ist ein Etwas denkbar,
das zwar existiert, aber keine (beobachtbaren) Eigenschaften besitzt?
Und was genau bewirkt eigentlich das "Zusammenbrechen" der Wellenfunktion?
Paralleluniversen nach Bedarf?
Aus diesem Dilemma entstand die Vielwelten-Theorie. Der Gedanke wurde erstmalig vorgestellt
von Hugh Everett 1957. Die Bezeichnung "Multiversum" wurde erstmalig eingefürt von Andy Nimmo, damals stellvertretender Geschäftsführer der „British Interplanetary Society, Scottish Branch, im Dezember 1960. Mit
dieser Theorie wollte man vermeiden, dass man in der Quantenwelt nur davon sprechen kann, welche Wahrscheinlichkeiten für ein Messergebnis angegeben werden können, nicht aber der
Ausgang der Messung eines einzelnen Teilchens. Demzufolge sollte sich das ganze Universum, jedes Mal, wenn sich ein Quant "entscheiden" muss, welche Eigenschaften er annimmt, in Kopien seiner
selbst aufteile, wobei die Zahl seiner Kopien von der Zahl der "Entscheidungen", die nötig sind, abhängt. Im Gegensatz zur Kopenhagener Deutung ist hierbei kein mit Bewusstsein
ausgestatteter Beobachter oder ein Messgerät außerhalb des betrachteten Systems erforderlich. Ebenso vermeidet diese Deutung die mysteriöse Überlagerung von Zuständen,
alle Zustände des Quants sind real (allerdings unterschiedlich in den Universums-Kopien). Damit wäre man das o.g. Problem des "Zusammenbrechens" der Wellenfunktion los. Dieser Theorie schloss sich
der US-amerikanische theoretische Physiker Wheeler (1911-2008) zunächst an. In der Folgezeit kamen Wheeler aber doch Bedenken. In der Tat, die Schwierigkeiten setzen sich, wenn auch auf anderer Ebene, fort. Ganz gleich, in welchen Zeitabständen
sich in unserem Universum ein Quant "entscheiden" muss und wie viel Quanten pro Zeiteinheit das betrifft – die Zahl der Paralleluniversen explodiert und gleicht einem fortwährenden Big
Bang der Anzahl dieser Universen. Und was geschieht mit diesen Universen im weiteren? Bleiben sie erhalten? Dann finden sicher auch in ihnen dauernd Quantenentscheidungen statt, die wiederum
neuer Paralleluniversen bedürfen. Der Physiker David Deutsch von der Universität Oxford ist ein eifriger Verfechter der Vielwelten-Theorie, wenn nicht gar der vehementeste unter
ihnen. Um die Schwierigkeit der explodierenden Zahl von Paralleluniversen zu vermeiden, schlägt er eine andere Version der Vielwelten-Theorie vor: Im Doppelspalt-Experiment kommt es zu
einer Interferenz des emittierten Elektrons mit anderen (zusätzlichen) realen Elektronen, die das emittierte Elektron vervielfachen. Diese zusätzlichen Elektronen schlagen jeweils
andere Wege in der Versuchseinrichtung (und auch außerhalb dieser) ein, wobei sie auch den anderen Spalt benutzen, den das emittierte Elektron nicht durchfliegt. Nun können diese
zusätzlichen Elektronen ja nicht einfach mir nichts dir nichts entstehen, und so spaltet sich die Welt in dem Augenblick, da das Elektron die Wahl zwischen zwei Spalten hat, in zwei Welten
auf. In der einen fliegt das Elektron durch den einen Spalt, in der anderen Welt ein "kopiertes" Elektron durch den anderen. Nach
dem Auftreffen auf dem Schirm der Versuchseinrichtung und dem Entstehen der Interferenzfigur ist ein Paralleluniversum als getrennte, kopierte Wirklichkeit nicht mehr
erforderlich und verschwindet. Aber auch diese Theorie hat Schwächen. Immerhin spielt in dieser Theorie die Nichtlokalität eine entscheidende Rolle. Doch bei der Ausführung des
Experiments – mit dem Ergebnis der Interferenz – wird das Aufteilen und Wiedervereinigen der Welten zu einem durchaus lokalen Phänomen und kann der übrigen Welt egal sein. Etwas
anderes passiert, wenn der Durchgang des Elektrons durch einen der Spalte beobachtet wird. Das Interferenzmuster wird damit verhindert, aber das Universum hat sich in zwei Exemplare geteilt,
mit unterschiedlichen Quantenzuständen. Leider muss auch Deutscher zugeben, dass nach seiner Theorie auch Messungen und Beobachtungen ausschlaggebend dafür sind, was in der
Wirklichkeit geschieht (das ist aber nicht die einzige Schwierigkeit in seinem Gedankengebäde – s. auch den Beitrag von Bertram Koehler).
Der Physiker Frank Tipler von der Tulane University in New Orleans schlägt vor, nicht die Versuchseinrichtung und damit die ganze Welt in eine parallele Welt zu transferieren, sondern den
Experimentator zu vervielfachen. Wie wir die Wirklichkeit sehen – und sie scheint sich ja im Alltagsgebrauch absolut klassisch zu verhalten – hängt davon ab, wie viel "Freiheitsgrade", also
quantenmechanische Eigenschaften, wir erkennen können. Die Gegenstände unserer gewöhnlichen Umwelt bestehen im allgemeinen aus sehr vielen Quanten – man hat ausgerechnet, dass z.B. eine Katze
von 1 kg Masse aus etwa 1026 Atomen besteht. Deren Quanteneigenschaften sind für uns im täglichen Leben nicht erfassbar. Deshalb erscheinen die Gegenstände uns nicht als ein unbestimmtes
Quantenobjekt, sondern als
physikalisch klassische Körper. Im Umkehrschluss heißt das: Hätten wir die Möglichkeit, alle Quanteneigenschaften aller Atome der Katze zu erfassen, würde sie für uns ähnliche
und genau so rätselhafte Eigenschaften wie einzelne Quants aufweisen (die besagte Katze könnte sich dann z.B. auch in einem Zustand befinden, in dem sie weder tot noch lebendig wäre, auch wäre sie wie ein Quant nichtlokal). Damit wäre der Experimentator, der ein quantenphysikalisches Experiment beobachtet, mit dem beobachteten Objekt "verschränkt".
Tipler schlussfolgert: "Indem man zuschaut, wie das (Interferenz-)Muster sich aufbaut, beobachtet man tatsächlich die Aktivität seiner eigenen Kopien in den Parallelwelten – genauso wie der
Sonnenuntergang die Drehung der Erde offenbart."
Tipler schlägt sogar einen Versuch vor, der die Existenz von Kopien des Experimentators verifizieren könnte:
Wie so oft, war die erste Annäherung an diese Fragestellung ein Gedankenexperiment. Ausgehend von Schrödingers Katzenexperiment dreht das "Quantenselbstmordexperiment" den Spieß um. Der Experimentator schlüpft in die Rolle der Katze. Er bastelt sich eine Vorrichtung, bei der ein quantenphysikalischer Prozess darüber "entscheidet", ob beim Betätigen eines Schalters ein Gewehrschuss auf ihn abgegeben wird. Die Chancen stehen 50:50. Der Physiker setzt sich auf einen Stuhl vor die Gewehrmündung und betätigt unentwegt den Schalter. Nach dem ersten Schalten hat er noch eine Überlebenschance von 50 Prozent, nach dem zweiten sinkt sie auf 25 Prozent, dann auf 12,5, 6,25 und so weiter. Nach unzähligen Betätigungen des Schalters ist seine Chance zu überleben praktisch gleich Null. Wenn er stirbt, braucht und kann er sich keine weiteren Gedanken mehr machen. Aber was ist, wenn er nach unzähligen Schaltvorgängen noch lebt? Dann weiß er mit an Sicherheit grenzender Wahrscheinlichkeit, dass es die vielen Parallelwelten geben muss. Denn die Wahrscheinlichkeitstheorie sagt ihm, dass er eigentlich tot sein müsste – es sei denn, bei jedem Schalten würde eine neue Kopie von ihm entstehen. Denn der Wahrscheinlichkeit ist Genüge getan, wenn bei jedem Schaltvorgang ein Ich des Experimentators erschossen wird und gleichzeitig ein Ich überlebt.
Man muss sich aber vielleicht doch nicht in solche Gefahr begeben. Ab 1970 gewann man
immer mehr Gewissheit, dass alle diese Überlegungen insofern unrealistisch sind, da sie die unvermeidliche Wechselwirkungen mit der Umgebung ignorieren. Als Folge dieser Wechselwirkung bleiben die Phasenbeziehungen zwischen den beteiligten Zuständen nur bei Betrachtung des Gesamtsystems (System + Umgebung) wohldefiniert, bei isolierter Betrachtung der Systemzustände hingegen ergeben sich rein statistische „klassische“ Verteilungen [E. Joos et al.].
Das "Zusammenbrechen" der Wellenfunktion ist auch kein "plötzliches" Ereignis, sondern ein Vorgang der Wechselwirkung mit der Umwelt, der sich in definierten Zeiträumen abspielt. Das heißt, dass zwar kurzzeitig Überlagerungszustände existieren können, die aber in sehr kurzer Zeit (die von der Größe der Körper abhängt) zerstört werden ("Dekohäherenz-Effekt").
Kehren wir noch einmal zum eingangs geschildeten Experiment mit dem Elektron, das mit sich selbst interferiert, zurück. Der US-amerikanische Pysiker Richard Phillips Feynman erkärte das Resultat des Experimentes so:
Das Elektron gelangt von einem Ort A zum Ort B nicht nur auf dem geometrisch kürzesten Weg, sondern auf allen nur möglichen Wegen gleichzeitig. Um seine Bahn zu beschreiben, muss man alle diese Wege berücksichtigen – man spricht hier von allen "Geschichten", denen das Teilchen folgen kann.
Die mathematische Methode Feynmans ist die sog. Pfad-Integral-Methode. Betrachtet man den Ursprung des Weltalls als Quantenfluktuation, so kann man nach Stephen Hawking die Pfad-Integral-Methode auch auf das gesamte Weltall anwenden. Demnach entstand das Weltall spontan, seine Weiterentwicklung erfolgte dann aber nach unterschiedlichen "Geschichten". Die Universen, die mit anderen Naturkonstanten ausgestattet wurden, sind entweder nicht "lebenstüchtig" gewesen und damit zusammengebrochen, andere wiederum mögen stabil geblieben sein, boten aber keine
Entwicklungsmöglichkeiten – z.B. Universen nur aus Neutronen (s. hierzu auch die Internetseite von "Odenwalds Universum" des Maganzins "Focus online.de. Die "überlebenden" Universen müssen auch nicht unbedingt irgend einen Einfluss oder eine Verbindung mit unserem haben, ja sie können sogar mit unterschiedlichen Naturgesetzen oder zumindest mit anderen Naturkonstanten ausgestattet sein. Das hieße, dass die uns bekannten Naturkonstanten vielleicht nicht die einzige konsistente Möglichkeit zur Bildung eines Universums wären und eine gewissen "Streuung", eine "Variabilität" der Konstanten zulassen. Damit waären sie ganz anders als die oben beschriebenen Paralleluniversen, die nur den "Zweck" haben, die Unbestimmtheit der Quantenobjekte im beschriebenen Interferenzexperiment zu umgehen. Die aus einer Quantenfluktuation ("Big Bang") hervorgegangenen Universen würden dann eigenen "Geschichten" folgen, die mit der Geschichte unseres Weltalls nicht identisch wären. Wäre auf ihnen auch Leben möglich? Damit stellt sich die Frage, was denn überhaupt "Leben" ist, vollkommen neu – unsere Definitionen dieses Begriffs basieren ja nur darauf, was wir auf der Erde finden. Und so restlos sicher können wir mit der optimalen Einstellung der Naturbedingungen unseres Universums auch nicht sein – dem augenblicklichen Wissensstand zufolge dehnt es sich ständig und mit zunehmender Geschwindigkeit aus. Irgendwann – nämlich, wenn die Abstände der Himmelskörper zu groß werden – dürfte auch hier die Entwicklung immer langsamer verlaufen und schließlich zu Null tendieren. Dann werden auch die Möglichkeiten, dass sich auf Himmelskörpern Lebenformen (was immer wir darunter auch verstehen) entwickeln können, immer geringer.
Fazit
Kann man nun eigentlich einen Schlussstrich unter diese Multiversums-Theorien (und einige andere zum gleichen Thema) ziehen und sie allesamt als Irrwege bezeichnen? So einfach
kann man sich wohl die Sache nicht machen. Immerhin steht fest: Es gibt beobachtbare Phänomene, die sich mit herkömmlichen Mitteln nicht erklären lassen. Auch das Pfadintegral Feynmans ist keine
Erklärung, sondern eine mathematisch-physikalische Beschreibung dessen, was im Interferenzexperiment (und anderen Experimenten zum gleichen Problem) zu beobachten ist.
Auch die Astronomen haben da ein gewichtiges Wort mitzureden. Die Beobachtungsgeräte werden immer empfindlicher und liefern immer detailliertere Daten, die oftmals unsere
Interpretation in Bedrängnis führt. Der Atlas der kosmischen Hintergrundstrahlung ist bereits so detailliert, dass
Phänomene entdeckt werden, die – vielleicht – als Deformationen unseres Weltalls interpretiert werden können. Das würde aber nach Meinung des Kosmologen Feeney bedeuten, dass ein anderes Universum mit unserem kollidiert sein muss –
also muss es zumindest vorher ja exisiert haben.