Sean Carroll: Ferne Zeit und der Hinweis auf ein Multiversum

Kosmologe Sean Carroll nimmt bei TEDxCaltech eine täuschend einfache Frage in Angriff: Warum existiert Zeit überhaupt? Die potentiellen Antworten deuten auf ein überraschendes Bild von der Beschaffenheit des Universums und unserer Stellung darin hin.

Das Universum

ist gewaltig.

Wir leben in einer Galaxie, der Milchstraße.

In der Milchstraße gibt es etwa einhundert Milliarden Sterne.

Und wenn Sie Ihre Kamera

auf einen beliebigen Punkt im Himmel richten

und Sie die Blende geöffnet halten,

dann werden Sie so etwas wie das hier zu sehen bekommen, solange Ihre Kamera

mit dem Hubble-Weltraumteleskop verbunden ist.

Jeder dieser kleinen Flecken

ist eine Galaxie etwa so groß wie unsere Milchstraße -

hundert Milliarden Sterne in jedem dieser Flecken.

Es gibt etwa einhundert Milliarden Galaxien

im sichtbaren Universum.

100 Milliarden ist die einzige Zahl, die Sie wissen müssen.

Das Alter des Universums, zwischen jetzt und dem Urknall,

beträgt einhundert Milliarden Hundejahre.

(Lachen)

Was Ihnen etwas über unsere Stellung im Universum verrät.

Eins, was Sie mit einem Bild wie diesem machen können, ist, es einfach zu bewundern.

Es ist wunderschön.

Ich habe mich oft gefragt, worin der Selektionsdruck,

der unsere Urahnen in der Steppe dazu veranlasste, sich anzupassen und weiterzuentwickeln,

besteht, sich an Bildern von Galaxien zu erfreuen,

wenn sie keine besaßen.

Aber wir würden es auch gerne begreifen.

Als Kosmologe möchte ich fragen, warum ist das Universum so, wie es ist?

Ein entscheidender Hinweis, den wir haben, ist, dass das Universum sich mit der Zeit verändert.

Wenn Sie sich eine dieser Galaxien anschauen und ihre Geschwindigkeit messen würden,

würden Sie feststellen, dass sie sich von Ihnen fortbewegt.

Und wenn Sie sich eine Galaxie anschauen würden, die weiter entfernt ist,

würde sich diese schneller entfernen.

Also sagen wir, dass das Universum sich ausdehnt.

Was das natürlich bedeutet, ist, dass die Dinge

in der Vergangenheit näher beieinander lagen.

In der Vergangenheit war das Universum dichter

und zudem heißer.

Wenn man Dinge zusammenpresst, steigt die Temperatur.

Das ergibt für uns grundsätzlich Sinn.

Was für uns nicht so viel Sinn ergibt, ist,

dass das Universum in früheren Zeiten, kurz nach dem Urknall,

auch sehr, sehr gleichmäßig war.

Sie mögen denken, das sei nicht überraschend.

Die Luft in diesem Raum ist sehr gleichmäßig verteilt.

Sie mögen sagen: "Naja, vielleicht haben sich die Dinge einfach von allein ausgeglichen."

Aber die Gegebenheiten kurz nach dem Urknall waren völlig anders

als die Gegebenheiten der Luft in diesem Raum.

Insbesondere waren die Dinge viel dichter.

Die Gravitationskraft der Dinge

war sehr viel größer kurz nach dem Urknall.

Was Sie bedenken müssen, ist,

dass wir es mit einem Universum zu tun haben mit einhundert Milliarden Galaxien,

mit je einhundert Milliarden Sternen.

In frühen Zeiten waren diese einhundert Milliarden Galaxien

in einem Raum zusammengepresst, der in etwa so groß war -

wortwörtlich, in frühen Zeiten.

Und Sie müssen sich dieses Zusammenpressen vorstellen

ohne jegliche Unregelmäßigkeiten,

ohne jegliche Punkte,

an denen es ein paar mehr Atome gab als anderswo.

Denn wenn das der Fall gewesen wäre, wären sie unter der Gravitationskraft kollabiert

zu einem riesigen schwarzen Loch.

Das Universum in frühen Zeiten völlig gleichmäßig zu halten

war nicht einfach, es war ein empfindliches Gefüge.

Das ist ein Hinweis darauf,

dass das frühe Universum nicht willkürlich ausgewählt wurde.

Es gibt etwas, dass es so gemacht hat, wie es ist.

Wir würden gerne wissen, was.

Ein Teil unseres Wissens hierüber wurde uns von Ludwig Boltzmann geliefert,

einem österreichischen Physiker aus dem 19. Jahrhundert.

Und Boltzmanns Beitrag bestand darin, dass er uns half, Entropie zu verstehen.

Sie haben sich von Entropie gehört.

Es handelt sich dabei um die Willkürlichkeit, die Unordnung, das Chaos mancher Systeme.

Boltzmann lieferte uns eine Formel -

jetzt eingraviert in seinen Grabstein -

die wirklich quantifiziert, was Entropie ist.

Und im Grunde besagt sie einfach,

dass Entropie die Anzahl der Arten und Weisen ist,

auf die wir die Komponenten eines Systems umorganisieren können, ohne dass man eine Veränderung bemerkt,

so dass es makroskopisch genau gleich aussieht.

Betrachtet man sich die Luft in diesem Raum,

nimmt man nicht jedes einzelne Atom wahr.

In einer Konfiguration mit niedriger Entropie

gibt es nur wenige Anordnungen, die so aussehen.

In einer Konfiguration mit hoher Entropie

gibt es viele Anordnungen, die so aussehen.

Dies ist eine äußerst wichtige Erkenntnis,

weil es uns dabei hilft,

das zweite Gesetz der Thermodynamik zu erklären -

das Gesetz, das besagt, das die Entropie im Universum zunimmt,

oder in einem begrenzten Teil des Universums.

Der Grund, warum die Entropie zunimmt,

ist, dass es sehr viel mehr Arten und Weisen gibt,

eine hohe Entropie zu haben als eine niedrige Entropie zu haben.

Das ist eine wunderbare Erkenntnis,

aber sie lässt etwas aus.

Übrigens ist die Erkennis, das die Entropie zunimmt,

das, was sich hinter dem sogenannten Zeitpfeil verbirgt,

dem Unterschied zwischen Vergangenheit und Zukunft.

Jeder Unterschied, den es

zwischen der Vergangenheit und der Zunkuft gibt,

existiert, weil Entropie zunimmt -

die Tatsache, dass Sie sich an die Vergangenheit, nicht aber an die Zukunft erinnern können.

Der Grund dafür, dass Sie geboren werden, leben und dann sterben,

immer in dieser Reihenfolge,

ist, dass Entropie zunimmt.

Boltzmann erklärte, dass es, wenn man mit einer niedrigen Entropie beginnt,

natürlich ist, dass diese zunimmt,

da es mehr Möglichkeiten für eine Anordnung mit hoher Entropie gibt.

Was er nicht erklärte, war,

warum die Entropie überhaupt jemals niedrig war.

Die Tatsache, dass das Universum eine niedrige Entropie hatte,

spiegelte die Tatsache wieder,

dass das frühe Universum sehr, sehr gleichmäßig war.

Wir würden das gerne verstehen.

Das ist unsere Aufgabe als Kosmologen.

Leider ist das kein Problem,

dem wir bisher genug Aufmerksamkeit geschenkt haben.

Es ist keines der Dinge, die die Leute nennen würden,

wenn Sie einen neuzeitlichen Kosmologen fragen würden:

"Welches sind die Probleme, die wir zu adressieren versuchen?"

Einer der Menschen, die dies als Problem erkannten,

war Richard Feynman.

Vor 50 Jahren hielt er eine Reihe von verschiedenen Vorlesungen.

Er hielt die berühmten Vorlesungen,

die bekannt wurden als "The Character of Physical Law."

Er hielt Vorlesungen für Caltech Studenten im grundständigen Studium,

die bekannt wurden als "The Feynman Lectures on Physics."

Er hielt Vorlesungen für Caltech Studenten im Aufbaustudium,

die bekannt wurden als "The Feynman Lectures on Gravitation."

In jedem dieser Bücher, jeder dieser Vorlesungsreihen,

hebt er dieses Rätsel hervor:

Warum hatte das frühe Universum eine solch niedrige Entropie?

Er sagt also - ich werde den Akzent nicht nachahmen -

er sagt: "Aus irgendeinem Grund hatte das Universum zu einem gewissen Zeitpunkt

eine sehr niedrige Entropie, gemessen an seinem Energiegehalt,

und seit diesem Zeitpunkt hat die Entropie zugenommen.

Der Zeitpfeil kann nicht vollständig verstanden werden,

bis man dem Geheimnis des Ursprungs des Universums

auf die Spur kommt und

Spekulation sich in Verstehen verwandelt."

Das also ist unsere Aufgabe.

Wir wollen es wissen - das war vor 50 Jahren, "Bestimmt," denken Sie,

"hat man das mittlerweile herausgefunden."

Es stimmt nicht, dass wir es mittlerweile herausgefunden haben.

Der Grund, warum sich das Problem noch vergrößert hat

anstatt besser zu werden, ist,

dass wir im Jahr 1998

etwas Entscheidendes über des Universum lernten, das wir vorher nicht gewusst hatten.

Wir fanden heraus, dass es sich beschleunigt.

Das Universum dehnt sich nicht nur aus.

Wenn man sich die Galaxie betrachtet, entfernt sie sich.

Wenn man sie sich eine Milliarde Jahre später wieder betrachtet,

wird sie sich schneller entfernen.

Die einzelnen Galaxien bewegen sich schneller und schneller von uns fort.

Daher sagen wir, dass das Universum sich beschleunigt.

Im Gegensatz zu der niedrigen Entropie des frühen Universums,

obwohl wir die Antwort darauf nicht kennen,

haben wir zumindest eine gute Theorie, die dies erklären kann,

falls diese Theorie zutrifft,

und dass die die Theorie von der dunklen Energie.

Dabei handelt es sich einfach um die Idee, dass der leere Raum selbst Energie besitzt.

In jedem kleinen Kubikzentimeter des Raums,

ob es nun Stoff darin gibt oder nicht,

ob es Teilchen gibt, Materie, Strahlung oder was auch immer,

gibt es Energie, auch im Raum selbst.

Und nach Einstein treibt diese Energie

das Universum an.

Sie ist ein fortwährender Impuls,

der die Galaxien auseinander treibt.

Denn im Gegensatz zu Materie oder Strahlung, verdünnt sich

dunkle Energie nicht, während das Universum sich ausdehnt.

Die Energiemenge in jedem Kubikzentimeter

bleibt gleich,

während das Universum größer und größer wird.

Das hat entscheidende Konsequenzen darauf,

was mit dem Universum in Zukunft geschehen wird.

Einerseits wir sich das Universum für immer ausdehnen.

Als ich in Ihrem Alter war,

wussten wir nicht, was mit dem Universum geschehen würde.

Manche Leute dachten, das Universum würde in der Zukunft wieder in sich zusammenfallen.

Einstein gefiehlt diese Idee.

Aber wenn es dunkle Energie gibt, und diese dunkle Energie nicht verschwindet,

dann wird sich das Universum für immer ausdehnen.

14 Milliarden Jahre in der Vergangenheit,

100 Milliarden Hundejahre,

aber eine unendliche Anzahl an Jahren in der Zukunft.

Derweil sieht der Weltraum für uns

im Grunde endlich aus.

Der Weltraum mag endlich oder unendlich sein,

aber weil sich das Universum beschleunigt,

gibt es Teile von ihm, die wir nicht sehen können

und nie sehen werden.

Es gibt nur eine begrenzte Region des Weltalls, zu der wir Zugang haben,

umgeben von einem Horizont.

Daher ist der Weltraum, obwohl die Zeit ewig fortbesteht,

für uns begrenzt.

Abschließend hat der leere Raum eine Temperatur.

In den 1970er Jahren berichtete uns Stephen Hawking,

dass ein schwarzes Loch, obwohl man meint, es sei schwarz,

tatsächlich Strahlung absondert,

wenn man Quantenmechanik berücksichtigt.

Die Krümmung des Raum-Zeit-Kontinuums um das schwarze Loch

lässt quantenmechanische Fluktuationen entstehen

und das schwarze Loch sendet Strahlung aus.

Eine ganz ähnliche Kalkulation von Hawking und Gary Gibbons zeigte,

dass, wenn man dunkle Energie in einem leeren Raum hat,

das ganze Universum Strahlung aussendet.

Die Energie des leeren Raums

lässt Quantumfluktuationen entstehen.

Und daher wird es, obwohl das Universum ewig fortbestehen wird

und gewöhnliche Materie und Strahlung sich verflüchtigen werden,

immer ein gewisses Maß an Strahlung geben,

einige thermische Fluktuationen,

selbst im leeren Raum.

Was das bedeutet, ist,

dass das Universum wie ein Behälter aus Gas ist,

den es für immer geben wird.

Was ist die Konsequenz von all dem?

Die Konsequenz wurde von Boltzmann im 19. Jahrhundert untersucht.

Er sagte, naja, Entropie nimmt zu,

weil es für eine hohe Entropie viel mehr Möglichkeiten gibt

als für eine niedrige Entropie.

Aber das ist eine wahrscheinlichkeitstheoretische Aussage.

Sie wird wahrscheinlich zunehmen,

und die Wahrscheinlichkeit ist extrem groß.

Das ist nichts, worüber Sie sich Sorgen machen müssten -

dass sich die Luft in diesem Raum in einem Teil des Raums zusammenzieht und uns ersticken lässt.

Das ist sehr, sehr unwahrscheinlich.

Es sei denn, jemand verschließt die Türen

und hält uns hier tatsächlich für immer fest,

dann würde das passieren.

Alles, was möglich ist,

jede Konfiguration, die den Molekülen in diesem Raum möglich ist,

würde irgendwann eingenommen werden.

Daher sagt Boltzmann, man könnte mit einem Universum beginnen,

das sich in einem thermischen Gleichgewicht befindet.

Er wusste nichts vom Urknall. Er wusste nicht von der Expansion des Universums.

Er dachte, dass Raum und Zeit schon von Issac Newton erklärt worden waren -

sie waren absolut; sie waren einfach für immer da.

Seine Idee eines natürlich Universums

bestand also darin, dass die Luftmoleküle einfach überall gleichmäßig verteilt waren -

die 'Alles'-Moleküle.

Aber wenn man Boltzmann ist, dann weiß man, wenn man lange genug wartet,

dann werden zufällige Fluktuationen dieser Moleküle

sie dann und wann in Konfiguationen

niedrigerer Entropie befördern.

Und dann werden sie sich natürlich wieder ausdehnen,

wie es der natürliche Lauf der Dinge ist.

Also ist es nicht so, dass Entropie immer zunehmen muss -

man kann Fluktuationen zu einer niedrigeren Entropie beobachten,

zu Zuständen, die organisierter sind.

Wenn das also wahr ist,

dann geht Boltzmann dazu über,

zwei hoch modern klingende Vorstellungen zu erfinden -

das Multiversum und das anthropische Prinzip.

Er sagt, dass das thermische Gleichgewicht deshalb ein Problem ist,

weil wir darin nicht leben können.

Erinnern Sie sich, das Leben selbst hängt ab vom Zeitpfeil.

Wir wären nicht in der Lage, Informationen zu verarbeiten,

Stoffwechsel zu betreiben, zu gehen und zu sprechen,

wenn wir in einem thermischen Gleichgewicht leben würden.

Wenn man sich also ein sehr, sehr großes Universum vorstellt,

ein unendlich großes Universum,

mit Teilchen, die willkürlich aneinander stoßen,

dann wird es gelegentlich kleine Fluktuationen in Zustände niedrigerer Entropie geben,

und dann gehen sie wieder zurück.

Aber es wir auch große Fluktuationen geben.

Gelegentlich wird ein Planeten erschaffen

oder ein Stern oder eine Galaxie

oder einhundert Milliarden Galaxien.

Boltzmann sagt also,

wir werden nur in dem Teil des Multiversums existieren,

in dem Teil dieses unendlich großen Gefüges fluktuierender Teilchen,

in dem Leben möglich ist.

Das ist die Region, in dem die Entropie niedrig ist.

Vielleicht ist unser Universum einfach eines dieser Dinge,

die von Zeit zu Zeit passieren.

Ihre Hausaufgabe ist es jetzt,

darüber wirklich nachzudenken, zu überlegen, was das bedeutet.

Carl Sagan sagte bekannterweise einmal:

"Um einen Apfelkuchen backen zu können,

muss man zunächst einmal das Universum erfinden."

Aber er hatte Unrecht.

Wenn man in Boltzmanns Szenario einen Apfelkuchen backen will,

dann wartet man einfach darauf, dass die willkürliche Bewegung von Atomen

den Apfelkuchen backt.

Das wird weitaus öfter geschehen

als die zufälligen Bewegungen von Atomen,

die eine Apfelbaumplantage

und etwas Zucker und einen Ofen

und dann einen Apfelkuchen hervorbringen.

Dieses Szenario trifft Vorhersagen.

Und die Vorhersagen sind,

dass die Fluktuationen, die uns hervorbringen, minimal sind.

Selbst, wenn man sich vorstellt, dass der Raum, in dem wir jetzt sind,

existiert und real ist und wir sind hier

und wir haben nicht nur unsere Erinnerungen,

sondern auch unseren Eindruck, dass draußen etwas existiert,

das sich Caltech und die Vereinigten Staaten und die Milchstraße nennt,

dann ist es viel einfacher, dass all diese Eindrücke zufällig in Ihr Gehirn fluktuieren,

als dass sie sich willkürlich zu Caltech

und zu den Vereinigten Staaten und zur Galaxie zusammenfluktuieren.

Die gute Nachricht ist,

dass dieses Szenario deshalb nicht funktioniert; es ist nicht richtig.

Dieses Szenario sagt vorher, dass wir eine minimale Fluktuation sein sollten.

Selbst, wenn man unsere Galaxie außer Acht lässt,

würde man nicht einhundert Milliarden andere Galaxien bekommen.

Und Feynman verstand dies ebenfalls.

Feynman sagt: "Ausgehend von der Hypothese, dass die Welt eine Fluktuation ist,

sind alle Prognosen solcherart, dass wir,

wenn wir einen Teil der Welt betrachten, den wir noch nie zuvor gesehen haben,

ihn durcheinander geraten vorfinden werden, und nicht wie den Teil, den wir kurz zuvor angeschaut haben -

hohe Entropie.

Wenn unsere Ordnung Folge einer Fluktuation wäre,

dann würden wir nirgendwo anders Ordnung erwarten als genau dort, wo wir sie gerade festgestellt haben.

Daraus schließen wir, dass das Universum keine Fluktuation ist."

Das ist gut. Die Frage ist dann, was ist die richtige Antwort?

Wenn das Universum keine Fluktuation ist,

warum hatte das frühe Universum dann eine niedrige Entropie?

Und ich würde Ihnen die Antwort darauf liebend gerne geben, aber mir rennt die Zeit davon.

(Lachen)

Auf der einen Seite haben wir hier das Universum, von dem wir Ihnen berichten,

auf der anderen Seite das Universum, das wirklich existiert.

Ich habe Ihnen gerade dieses Bild gezeigt.

Das Universum dehnt sich seit etwa 10 Milliarden Jahren aus.

Es kühlt sich ab.

Aber wir wissen jetzt genug über die Zukunft des Universums,

dass wir sehr viel mehr sagen können.

Wenn die dunkle Energie bestehen bleibt,

dann werden die Sterne um uns herum ihren nuklearen Treibstoff aufbrauchen, sie werden aufhören zu brennen.

Sie werden zu schwarzen Löchern kollabieren.

Wie werden in einem Universum leben,

in dem es nichts anderes gibt als schwarze Löcher.

Dieses Universum wird 10 hoch 100 Jahre existieren -

sehr viel länger als unser kleines Universum besteht.

Die Zukunft ist sehr viel länger als die Vergangenheit.

Aber auch schwarze Löcher halten nicht ewig.

Sie werden sich auflösen,

und wir werden zurückbleiben mit nichts als leerem Raum.

Dieser leere Raum wird im Wesentlichen für immer fortbestehen.

Aber da der leere Raum Strahlung absondert,

gibt es thermische Fluktuationen,

und er durchläuft

all die möglichen verschiedenen Kombinationen

des Maßes an Freizügigkeit, die in einem leeren Raum existiert.

Obwohl das Universum für immer fortbesteht,

gibt es also nur eine endliche Anzahl an Dingen,

die im Universum passieren können.

Sie alle geschehen über einen Zeitraum hinweg von

10 hoch 10 hoch 120 Jahren.

Hier sind also zwei Fragen für Sie.

Nummer eins: Wenn das Universum 10 hoch 10 hoch 120 Jahre fortbesteht,

warum werden wir geboren

in den ersten 14 Milliarden Jahren,

im warmen, komfortablen Nachglühen des Urknalls.

Warum existieren wir nicht im leeren Raum?

Sie mögen sagen: "Naja, dort gibt es nichts, worin man leben kann",

aber das ist nicht richtig.

Sie könnten eine willkürliche Fluktuation aus dem Nichts sein.

Warum sind Sie es nicht?

Mehr Hausaufgaben für Sie.

Wie ich schon gesagt habe, ich kenne die Antwort nicht wirklich.

Ich werde Ihnen mein Lieblingsszenario schildern.

Entweder ist es so, dass einfach keine Erklärung gibt.

Es ist eine rücksichtslose Tatsache der Universums,

die man akzeptieren und nicht hinterfragen sollte.

Oder vielleicht ist der Urknall

nicht der Beginn des Universums.

Ein Ei, ein unversehrtes Ei, ist eine Konfiguration niedriger Entropie,

und dennoch sagen wir, wenn wir unseren Kühlschrank öffnen,

nicht: "Hah, was für eine Überraschung

diese Konfiguration niedriger Entropie in unserem Kühlschrank zu finden."

Das kommt daher, dass ein Ei kein geschlossenes System ist;

es kommt aus einem Huhn.

Vielleicht kommt das Universum aus einem universellen Huhn.

Vielleicht gibt es etwas, das naturgemäß,

anhand der Entwicklung der physikalischen Gesetze,

Universen wie unseres hervorbringt,

in Konfigurationen niedriger Entropie.

Falls das der Fall ist, dann würde es mehr als einmal passieren;

wir wären Teil eines viel größeren Multiversums.

Das ist mein Lieblingsszenario.

Die Veranstalter haben mich darum gebeten, mit einer gewagten Spekulation zu enden.

Meine gewagte Spekulation ist,

dass die Zeit mich absolut bestätigen wird.

Und in 50 Jahren

werden all meine derzeitigen wilden Ideen als Wahrheiten akzeptiert werden

von den wissenschaftlichen und externen Gemeinden.

Wir alle werden der Ansicht sein, dass unser kleines Universum

nur ein kleiner Teil eines viel größeren Multiversums ist.

Und noch besser, wir werden verstehen, was beim Urknall geschehen ist,

mit Hilfe einer Theorie,

die wir mit unseren Beobachtungen vergleichen werden können.

Das ist eine Prophezeiung. Ich mag falsch liegen.

Aber wir machen uns als menschliche Rasse schon

seit vielen, vielen Jahre Gedanken darüber,

wie das Universum aussah, warum es entstand, wie es entstand.

Es ist aufregend, darüber nachzudenken, dass wir die Antwort vielleicht eines Tages kennen werden.

Vielen Dank.

(Applaus)