Noch andere Welten: die Multiversen-Theorie auf dem Prüfstand


Vorstellungen, die neben dem sichtbaren Universum noch weitere „Welten“ annehmen, werden Multiversen-Theorien genannt. Grundsätzlich sind zwei Arten von Multiversen denkbar: eine physikalische und eine nicht-physikalische; „physikalisch“ hieße, dass in dem weiteren Universum physikalische Gesetze gelten.  Dabei ist klar, dass es keine dritte Option geben kann, jede Vorstellung von Multiversen ist entweder physikalisch oder nicht physikalisch gedacht. Das Konzept von Multiversen hat Hochkonjunktur. Doch was bedeutet es? Was steht hinter dem Wort? Welche Auswirkungen hat es auf unsere Sicht der Welt? Dieser Artikel behandelt die physikalischen Konzeptionen über Multiveren. In einem weiteren geht es um nicht-physikalische Welten.

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Prinzipiell sind Multiversen im physikalischen Sinne nicht als mehrere, voneinander vollkommen unabhängige Universen zu denken. Vielmehr meint es eine physikalische Realität, in der es verschiedene Bereiche gibt. Einer dieser Bereiche ist der für uns sichtbare Teil des Universums. Daneben gibt es weitere Teiluniversen, die aber alle in einer einzigen physikalischen Realität situiert sind. Neben dieser generellen Eigenschaft müssen physikalische Multiversentheorien weitere bestimmte Bedingungen erfüllen.

Grundregel der Physik: die zwei Sätze der Wärmelehre

Die grundlegenden Kriterien für die Konsistenz einer Multiversen-Hypothese sind die beiden Hauptsätze der Thermodynamik. Sowohl der Energieerhaltungssatz als auch das Prinzip der Unumkehrbarkeit. Damit werden die unumkehrbaren, die Entropie erzeugende Prozesse bezeichnet. Die beiden Sätze sind in allen physikalischen Theorien anwendbar. Der erste Satz ist relativ unproblematisch. Die Energie eines geschlossenen Systems kann weder zu- noch abnehmen. Für eine Hypothese eines Gesamtuniversums gilt also: Solange eine Hypothese weder die Entstehung noch die Vernichtung von Energie postuliert, wiederspricht sie nicht dem Energieerhaltungssatz.

Der zweite Satz ist schwieriger anzuwenden. Entropie ist keine Erhaltungsgröße und die Aussage dieses Satzes bildet zum Teil eine Wahrscheinlichkeit ab. Zum einen beschreibt er die Entstehung von Entropie, die auf gleichmäßige Verteilung hin gerichteten Prozesse in bestimmten Vorgängen. Zum anderen sagt der Satz die extrem niedrige Wahrscheinlichkeit der Reduktion von Entropie voraus. Faktisch nimmt so die Entropie mit der Zeit immer weiter zu. Daher kann eine Hypothese, die die Vernichtung von Entropie vorrausetzt, als inkonsistent betrachtet werden.
Dies ist jedoch kein besonders starkes Argument gegen die Konsistenz, da die Vernichtung von Entropie generell möglich ist. Auch die niedrige Wahrscheinlichkeit für das Eintreten dieses Falles ist kein zwingendes Argument. Bestimmte Ereignisse könnten besondere Eigenschaften aufweisen, die eine Reduktion von Entropie wahrscheinlich oder sogar notwendig machen können. Dies kann etwas das Entstehen eines bestimmten Teiles des Universums sein. Für unsere sichtbares Universum wäre dies der Big Bang in einer modifizierten Theorie.

Physik hat eine bestimmte Geometrie

Ein weiteres Kriterium hängt mit der physikalischen Raumzeit zusammen. Alles Physikalische existiert in der Raumzeit. Dies gilt auch für ein Multivers, anderenfalls kann man nicht von etwas Physikalischem reden. Wenn allerdings ein Raum Vorrausetzung ist, muss das von Borde, Vilenkin und Guth entwickelte Theorem angewendet werden. Dieses zeigt die Notwendigkeit eines Anfangs für jedes Universum, dessen Raumausdehnung zunimmt. Das Theorem basiert auf einem geometrischen Argument. Es ist damit unabhängig von energetischen Zuständen oder anderen Faktoren. Damit gilt es für alle möglichen Theorien, die eine Raumausdehnung und einen zeitlichen Verlauf haben. Eine Multivershypothese, die sowohl eine Ausdehnung des Raumes als auch das unendliche Bestehen des Universums in der Vergangenheit postuliert, kann damit nicht konsistent sein. Siehe dazu: das BVG-Theorem

Grundprobleme der physikalischen Multiverse

Alle physikalischen Mulitversentheorien sind jenseits aller naturwissenschaftlichen Beobachtungsmöglichkeiten situiert. Unsere wissenschaftlichen Experimente und Beobachtungen sind auf das beobachtbare Universum beschränkt. Die physikalischen Theorien selber schreiben eine Grenze des Beobachtbaren vor. Eine empirische Überprüfung ist daher nicht möglich. Die Physik ist jedoch eine empirische Wissenschaft, weil ihre Methode die empirische Falsifikation ist. Es werden also Hypothesen aufgestellt und aus diesen Hypothesen Vorrausagen abgeleitet. Diese Vorrausagen werden dann in Versuchen überprüft. Wenn die Vorrausagen nicht eintreten, ist die Hypothese widerlegt, falls die Vorrausagen eintreffen, kann sie richtig sein. Hypothesen, die wiederholt geprüft werden konnten, gelten als vorläufig bestätigt. Physikalische Multiversentheorien stehen also vor dem Problem, der grundsätzlichen Methode der Physik nicht folgen zu können.

Computersimulationen erfüllen die empirischen Ansprüche nicht

Ein Versuch, die empirische Vorrausetzung der Physik als Wissenschaft einzuholen, wird mit Computer- Simulationen versucht. Die Simulationen modellieren die Theorien über die von den Theorien beschrieben mathematischen Gleichungssysteme. Es läuft also ein Programm, das die möglichen Werte des Modells berechnet und sie teilweise auch grafisch darstellt. Dies ist jedoch kein Ersatz für empirische Untersuchungen, da die Simulationen nur die interne Kohärenz des Modells, nicht aber die Übereinstimmung mit der Wirklichkeit prüfen. Dies wird am Beispiel von Computerspielen deutlich. Die meisten Spiele versuchen, die Wirklichkeit einigermaßen treu zu repräsentieren. Wenn eine Figur des Spiels eine in der Wirklichkeit unmögliche Handlung vollzieht, wird von einem Mangel an Realismus gesprochen. Diese Wertung geschieht aufgrund der Unvereinbarkeit mit dem von uns empirisch beobachteten Verhalten einer solchen Figur in der Realität. Die Programmierung des Spiels kann diesen „Fehler“ nicht feststellen. Nach ihren Regeln und Formeln, wurde alles richtig berechnet.

Theorien als mathematische Gleichungen sind begrenzt

Darüber hinaus wird bei den Simulationen ein weiteres Problem deutlich. Die Theorien sind erst einmal nur mathematische Gleichungen, mit denen die Realität modelliert werden soll. Ein einfaches Beispiel stellt das Newtonschen Gesetz des Falles dar. Für diese Vorgänge beschreiben Gleichungen die Geschwindigkeit und Position eines fallenden Objektes – z.B. eines aus drei Metern Höhe vom Baum fallenden Apfels. Für die Wirklichkeit relevant sind dabei nur die Werte vom Zeitpunkt, an dem der Apfel sich vom Baum löst bis zu dem Zeitpunkt, an dem der Apfel am Boden ankommt. Jedoch beschreibt die Gleichung für die Position des Apfels ()  den Apfel fiktiv. Er käme dabei aus der Vergangenheit aus der Unendlichkeit und bewege sich auf den Punkt in drei Metern Höhe zu. Die Gleichung für die Geschwindigkeit  des Apfels zeigt dabei eine stetige Verringerung seiner Geschwindigkeit, bis er bei t=0 den höchsten Punkt „drei Meter“ erreicht hat. Dort erreicht er auch eine Geschwindigkeit von Null. Anschließend beschleunigt der Apfel in die Gegenrichtung und bewegt sich, wenn man nur die mathematische Gleichung im Computer darstellt,  durch den Boden in Richtung Unendlichkeit.

Relevant für die Beschreibung der Realität ist jedoch nur ein kleiner Teilbereich dieser Gleichung. Die Gleichung beschreibt nicht korrekt den Apfel vor dem Fall. Er hing ja am Baum und hat sich nicht bewegt. Auch die Werte nach dem Auftreffen entsprechen nicht der Realität. Der Apfel würde nicht durch den Boden hindurch weiter fliegen, sondern abprallen. Die weiteren Werte, für die die Gleichung definiert ist, werden also ausgeschlossen. Dieser Ausschluss erfolgt durch die lebensweltliche, praktische Vernunft, das Modell selber kann diese Entscheidung nicht begründen. Maximal kann das physikalische Modell entsprechend der Relativitätstheorie die Bereiche ausschließen, für die die Gleichung eine Geschwindigkeit größer als die des Lichtes vorhersagt. Doch diese Einschränkung ist noch zu grob, um eine sinnvolle Anwendung auf die Realität zu ermöglichen.

Es hat sich gezeigt, dass eine physikalische Konzeption eines Multiversums einigen Vorrausetzungen und grundsätzlichen Problemen unterliegt. Aber auch nicht physikalische Konzeptionen sind keinesfalls vorrausetzungslos oder ohne Probleme. Diese werden im Artikel zu nicht-physikalischen, als meta-physischen Konzeptionen beleuchtet. Dafür können wir bereits festhalten: Eine physikalische Vorstellung eines Multiverses bedeutet keine Negation aller Metaphysik, sondern behauptet nur die Beschreibbarkeit durch die Methoden der Physik.

Philipp Müller

Links
Big Bang
Die Relativitätstheorie holt den Kosmos aus der Unendlichkeit
Das Universum hat einen Anfang
Physik führt zu Metaphysik

2 Gedanken zu “Noch andere Welten: die Multiversen-Theorie auf dem Prüfstand

  1. unbeschreiblich…
    die Entstehung von Materie : war sie
    – wahrscheinlich ?
    – zufällig- ?
    – wahrscheinlicher Zufall ?

  2. Problem mit dem Energieerhaltungsatz: Wenn man bedenkt, dass seit dem Bigbang sich immer mehr Sonnen, Planeten und Galaxien gebildet haben, dass es also eine stetige Zunahme von Elementen, Materie und Energie gegeben haben muss, dann kann doch der Energieerhaltungssatz gar nicht richtig sein. Gibt es eine Erklärung?

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