Das ist der Grund, warum das Multiversum existieren muss

Sie können das Universum mit beliebig leistungsfähiger Technologie untersuchen, so viel Sie wollen, und Sie werden nie einen Rand finden. Der Weltraum geht so weit, wie wir sehen können, und überall, wo wir hinschauen, sehen wir die gleichen Dinge: Materie und Strahlung. In allen Richtungen finden wir die gleichen verräterischen Zeichen eines sich ausdehnenden Universums: die übrig gebliebene Strahlung aus einem heißen, dichten Zustand; Galaxien, die sich in Größe, Masse und Anzahl entwickeln; Elemente, deren Häufigkeit sich ändert, wenn Sterne leben und sterben.

Aber was liegt jenseits unseres beobachtbaren Universums? Gibt es einen Abgrund des Nichts jenseits der Lichtsignale, die uns seit dem Urknall erreichen konnten? Gibt es einfach noch mehr Universen wie unser eigenes, da draußen, jenseits unserer Beobachtungsgrenzen? Oder gibt es ein Multiversum, das mysteriöser Natur ist und für immer nicht gesehen werden kann?

Wenn mit unserem Verständnis des Universums nicht etwas ernsthaft falsch läuft, muss das Multiversum die Antwort sein. Hier ist warum.

Das Multiversum ist eine äußerst kontroverse Idee, aber im Kern ist es ein sehr einfaches Konzept. So wie die Erde keine besondere Position im Universum einnimmt, genauso wenig wie die Sonne, die Milchstraße oder irgendein anderer Ort, geht das Multiversum noch einen Schritt weiter und behauptet, dass es nichts Besonderes am gesamten sichtbaren Universum gibt.

Das Multiversum ist die Idee, dass unser Universum und alles, was darin enthalten ist, nur ein kleiner Teil einer größeren Struktur ist. Dieses größere Gebilde kapselt unser beobachtbares Universum als einen kleinen Teil eines größeren Universums ein, das sich über die Grenzen unserer Beobachtungen hinaus erstreckt. Diese gesamte Struktur – das unbeobachtbare Universum – kann selbst Teil einer größeren Raumzeit sein, die viele andere, unzusammenhängende Universen umfasst, die dem Universum, das wir bewohnen, ähnlich sein können oder auch nicht.

Wenn dies die Idee des Multiversums ist, kann ich Ihre Skepsis gegenüber der Vorstellung verstehen, dass wir irgendwie wissen könnten, ob es existiert oder nicht. Schließlich sind Physik und Astronomie Wissenschaften, die auf messbare, experimentelle oder anderweitig beobachtbare Bestätigung angewiesen sind. Wenn wir nach Beweisen für etwas suchen, das außerhalb unseres sichtbaren Universums existiert und innerhalb desselben keine Spuren hinterlässt, scheint es, dass die Idee eines Multiversums grundsätzlich nicht überprüfbar ist.

Aber es gibt alle möglichen Dinge, die wir nicht beobachten können, von denen wir aber wissen, dass sie wahr sein müssen. Jahrzehnte bevor wir Gravitationswellen direkt nachgewiesen haben, wussten wir, dass sie existieren müssen, weil wir ihre Auswirkungen beobachtet haben. Bei binären Pulsaren – sich drehenden Neutronensternen, die umeinander kreisen – wurde beobachtet, dass sich ihre Umlaufzeiten verkürzen. Irgendetwas muss Energie abtransportieren, und dieses Etwas stimmte mit den Vorhersagen der Gravitationswellen überein.

Während wir die Bestätigung, die LIGO und Virgo durch den direkten Nachweis von Gravitationswellen lieferten, sicherlich begrüßten, wussten wir aufgrund dieses indirekten Beweises bereits, dass sie existieren mussten. Diejenigen, die argumentieren würden, dass indirekte Beweise kein Indikator für Gravitationswellen sind, könnten immer noch nicht davon überzeugt sein, dass binäre Pulsare sie aussenden; LIGO und Virgo sahen nicht die Gravitationswellen, die von den binären Pulsaren kamen, die wir beobachtet haben.

Wenn wir also das Multiversum nicht direkt beobachten können, welche indirekten Beweise haben wir dann für seine Existenz? Woher wissen wir, dass es mehr unbeobachtbares Universum jenseits des Teils gibt, den wir beobachten können, und woher wissen wir, dass das, was wir unser Universum nennen, wahrscheinlich nur eines von vielen ist, die in das Multiversum eingebettet sind?

Wir schauen auf das Universum selbst und ziehen Schlüsse über seine Natur, basierend auf dem, was Beobachtungen über es offenbaren.

Wenn wir an den Rand des beobachtbaren Universums blicken, stellen wir fest, dass die Lichtstrahlen aus der frühesten Zeit – aus dem kosmischen Mikrowellenhintergrund – bestimmte Muster am Himmel bilden. Diese Muster verraten nicht nur die Dichte- und Temperaturschwankungen, mit denen das Universum geboren wurde, sowie die Materie- und Energiezusammensetzung des Universums, sondern auch die Geometrie des Raums selbst.

Wir können daraus schließen, dass der Raum nicht positiv gekrümmt (wie eine Kugel) oder negativ gekrümmt (wie ein Sattel) ist, sondern eher räumlich flach, was darauf hindeutet, dass das unbeobachtbare Universum wahrscheinlich weit über den für uns zugänglichen Teil hinausreicht. Es krümmt sich nie um sich selbst, es wiederholt sich nie, und es hat keine leeren Lücken in ihm. Wenn es gekrümmt ist, hat es einen Durchmesser, der hunderte Male größer ist als der Teil, den wir sehen können.

Mit jeder Sekunde, die verstreicht, wird uns mehr Universum offenbart, genau wie unser eigenes, was mit diesem Bild übereinstimmt.

Das könnte darauf hindeuten, dass es mehr unbeobachtbares Universum jenseits des Teils unseres Universums gibt, zu dem wir Zugang haben, aber es beweist es nicht, und es liefert keinen Beweis für ein Multiversum. Es gibt jedoch zwei Konzepte in der Physik, die weit über einen vernünftigen Zweifel hinaus etabliert sind: die kosmische Inflation und die Quantenphysik.

Die kosmische Inflation ist die Theorie, die den heißen Urknall hervorgebracht hat. Anstatt mit einer Singularität zu beginnen, gibt es eine physikalische Grenze dafür, wie heiß und wie dicht die ersten, frühen Stadien unseres expandierenden Universums hätten werden können. Hätten wir in der Vergangenheit beliebig hohe Temperaturen erreicht, gäbe es klare Signaturen, die es nicht gibt:

• Temperaturschwankungen mit großer Amplitude in der Frühzeit,
• Dichtefluktuationen, die durch die Größe des kosmischen Horizonts begrenzt sind,
• und übrig gebliebene, hochenergetische Relikte aus der Frühzeit, wie magnetische Monopole.

Diese Signaturen fehlen alle. Die Temperaturschwankungen liegen im Bereich von 0,003%; die Dichtefluktuationen überschreiten die Skala des kosmischen Horizonts; die Grenzen für Monopole und andere Relikte sind unglaublich streng. Die Tatsache, dass diese Signaturen nicht vorhanden sind, hat eine enorme Implikation: Das Universum hat diese willkürlich hohen Temperaturen nie erreicht. Etwas anderes kam vor dem heißen Urknall, um es aufzubauen.

Da kommt die kosmische Inflation ins Spiel. Sie wurde in den frühen 1980er Jahren theoretisiert und sollte eine Reihe von Rätseln im Zusammenhang mit dem Urknall lösen, erfüllte aber das, was man sich von jeder neuen physikalischen Theorie erhofft: Sie machte messbare, testbare Vorhersagen für beobachtbare Signaturen, die in unserem Universum auftreten würden.

Wir sehen den vorhergesagten Mangel an räumlicher Krümmung; wir sehen eine adiabatische Natur der Fluktuationen, mit denen das Universum geboren wurde; wir haben ein Spektrum und eine Größe der anfänglichen Fluktuationen entdeckt, die mit den Vorhersagen der Inflation übereinstimmen; wir haben die Superhorizont-Fluktuationen gesehen, die laut Inflation entstehen müssen.

Wir wissen vielleicht nicht alles über die Inflation, aber wir haben eine sehr starke Reihe von Beweisen, die eine Periode im frühen Universum unterstützen, in der sie stattfand. Sie führte zum Urknall und sagt eine Reihe und ein Spektrum von Fluktuationen voraus, die die Samen der Struktur hervorbrachten, die zu dem kosmischen Netz wuchsen, das wir heute beobachten. Nur die Inflation, soweit wir wissen, gibt uns Vorhersagen für unser Universum, die mit dem übereinstimmen, was wir beobachten.

„Also, große Sache“, könnten Sie sagen. „Man nahm eine kleine Region des Raums, ließ sie durch Inflation zu einem sehr großen Volumen expandieren, und unser beobachtbares, sichtbares Universum ist in diesem Volumen enthalten. Selbst wenn das in Ordnung ist, sagt uns das nur, dass sich unser unbeobachtbares Universum weit über den sichtbaren Teil hinaus erstreckt. Sie haben das Multiversum noch gar nicht etabliert.“

Und das alles wäre richtig. Aber denken Sie daran, es gibt noch eine weitere Zutat, die wir hinzufügen müssen: die Quantenphysik.

Die Unschärfe wird als ein Feld behandelt, wie alle Quanten, die wir im Universum kennen, und gehorcht den Regeln der Quantenfeldtheorie. Im Quantenuniversum gibt es viele kontraintuitive Regeln, die befolgt werden, aber die für unsere Zwecke relevanteste ist die Regel, die die Quantenunbestimmtheit regelt.

Während wir konventionell die Unbestimmtheit als wechselseitig auftretende Unbestimmtheit zwischen zwei Variablen betrachten – Impuls und Position, Energie und Zeit, Drehimpuls von zueinander senkrechten Richtungen, usw. – gibt es auch eine inhärente Unbestimmtheit im Wert eines Quantenfeldes. Mit fortschreitender Zeit hat ein Feldwert, der zu einem früheren Zeitpunkt definitiv war, nun einen weniger sicheren Wert; man kann ihm nur noch Wahrscheinlichkeiten zuschreiben.

Mit anderen Worten, der Wert eines jeden Quantenfeldes breitet sich mit der Zeit aus.

Nun, lassen Sie uns dies kombinieren: Wir haben ein sich aufblähendes Universum auf der einen Seite und die Quantenphysik auf der anderen. Wir können uns die Inflation als einen Ball vorstellen, der sehr langsam auf einen flachen Hügel rollt. Solange der Ball auf dem Hügel bleibt, geht die Inflation weiter. Wenn die Kugel jedoch das Ende des flachen Teils erreicht, rollt sie in das darunter liegende Tal hinunter, wo die Energie des Inflationsfeldes selbst in Materie und Energie umgewandelt wird.

Diese Umwandlung bedeutet das Ende der kosmischen Inflation durch einen Prozess, der als Wiedererwärmung bekannt ist, und es entsteht der heiße Urknall, den wir alle kennen. Aber hier ist die Sache: Wenn sich das Universum aufbläht, ändert sich der Wert des Feldes langsam. In verschiedenen Regionen der Inflation breitet sich der Wert des Feldes um zufällig unterschiedliche Beträge und in unterschiedliche Richtungen aus. In einigen Regionen endet die Inflation schnell, in anderen langsamer.

Das ist der Schlüsselpunkt, der uns sagt, warum ein Multiversum unvermeidlich ist! Dort, wo die Inflation sofort endet, bekommen wir einen heißen Urknall und ein großes Universum, von dem ein kleiner Teil unserem eigenen beobachtbaren Universum ähnlich sein könnte. Aber es gibt andere Regionen, außerhalb der Region, in der sie endet, wo die Inflation länger andauert.

Wo die Quantenausbreitung genau in der richtigen Weise stattfindet, könnte die Inflation auch dort enden und einen heißen Urknall und ein noch größeres Universum hervorbringen, von dem ein kleiner Teil unserem beobachtbaren Universum ähnlich sein könnte.

Aber die anderen Regionen blähen sich nicht nur auf, sondern wachsen auch. Man kann die Rate berechnen, mit der die sich aufblähenden Regionen wachsen, und sie mit der Rate vergleichen, mit der sich neue Universen bilden und heiße Big Bangs stattfinden. In allen Fällen, in denen die Inflation Vorhersagen liefert, die mit dem beobachteten Universum übereinstimmen, wachsen neue Universen und neu aufblasende Regionen schneller, als die Inflation zu Ende gehen kann.

Dieses Bild von riesigen Universen, die viel größer sind als der magere Teil, der für uns beobachtbar ist, und die ständig in diesem exponentiell expandierenden Raum entstehen, ist das, worum es beim Multiversum geht. Es ist keine neue, überprüfbare wissenschaftliche Vorhersage, sondern eher eine theoretische Konsequenz, die aufgrund der physikalischen Gesetze, wie sie heute verstanden werden, unvermeidbar ist. Ob die physikalischen Gesetze in diesen anderen Universen mit unseren identisch sind, ist unbekannt.

Wenn man ein inflationäres Universum hat, das von der Quantenphysik beherrscht wird, ist ein Multiversum unvermeidlich. Wie immer sammeln wir kontinuierlich so viele neue, überzeugende Beweise, wie wir können, um den gesamten Kosmos besser zu verstehen. Es mag sich herausstellen, dass die Inflation falsch ist, dass die Quantenphysik falsch ist, oder dass die Anwendung dieser Regeln, so wie wir sie anwenden, einen fundamentalen Fehler hat. Aber bis jetzt passt alles zusammen. Wenn wir uns nicht irren, ist das Multiversum unvermeidlich, und das Universum, das wir bewohnen, ist nur ein winziger Teil davon.