Der Mensch kann auf unserer heutigen Welt existieren, aufgrund der Zutaten und Regeln, aus denen das Universum besteht. Wenn die Dinge zu unterschiedlich wären, wären intelligente Beobachter jeglicher Art unmöglich. (VANIARAPOSO / PIXABAY)

Das anthropische Prinzip ist das, was Wissenschaftler verwenden, wenn sie die Wissenschaft aufgegeben haben

Ja, das Leben existiert in unserem Universum. Nein, diese Aussage entspricht nicht der Wissenschaft.

Stellen Sie sich vor, Sie sind auf ein Naturphänomen gestoßen, das Sie besser verstehen möchten, aber Sie verfügen nicht über die entsprechenden Werkzeuge. Vielleicht sind Sie neugierig, warum die fundamentalen Konstanten die Werte haben, die sie haben, oder wie alt die Erde ist, oder ob es da draußen noch unentdeckte Materiezustände gibt. Unter normalen Umständen führen Sie Ihre Untersuchung wissenschaftlich durch: indem Sie Messungen und Beobachtungen vornehmen, die das Universum nach sich selbst fragen. Sie sammeln Daten, erhalten Ergebnisse und ziehen Schlussfolgerungen basierend auf dem, was Sie gefunden haben.

Aber manchmal wissen Sie nicht, wie Sie die Experimente durchführen oder die Beobachtungen sammeln, die Sie benötigen. Manchmal können Sie nur auf die grundlegendsten Annahmen zurückgreifen: Dass das Universum sich auch so verhalten kann, verhält sich so, dass es zu intelligenten Beobachtern wie uns führen kann. Diese Denkweise ist als das anthropische Prinzip bekannt. Sie kann zwar als nützlicher Ausgangspunkt dienen, ist jedoch kein Ersatz für die eigentliche Wissenschaft.

Die Galaxie Messier 94 ist groß, weitreichend und wunderschön und ist ein dominierendes Mitglied einer locker gebundenen Gruppe, die nach ihr benannt wurde. Die Tatsache, dass sich das Universum weder zu schnell ausbreitet, um Sterne und Galaxien zu bilden, noch neu zusammengelegt werden kann, bevor diese Entitäten entstehen könnten, ist eine bemerkenswerte, aber unerklärliche Tatsache in Bezug auf die Realität. (R JAY GABANY (BLACKBIRD OBS.))

Niemand bezweifelt, dass das Universum existiert, dass es den Grundgesetzen gehorcht und dass wir - wie alles andere in diesem Universum - auch dieselben Regeln befolgen. Wir sind auf natürliche Weise entstanden, und daher muss das Universum Eigenschaften haben, die es zumindest intelligenten, lebenden Beobachtern wie uns möglich machen, wenn nicht sogar obligatorisch.

Dies ist kaum eine kontroverse Aussage, da es lediglich sagt, dass sich das Universum in einer Weise verhält, die unserem beobachteten Verhalten entspricht. Was wir das anthropische Prinzip nennen, ist einfach eine verfeinerte Version von Descartes: Ich existiere in diesem Universum, und daher existiert das Universum auf eine Weise, die mit meiner Existenz darin übereinstimmt.

Silhouettiert gegen die Polarlichter, die in der Nähe der Pole auf der Erde entstanden sind, sind zwei Menschen sowie die Polarlichter selbst nur aufgrund der Materie im Universum und der grundlegenden Regeln der Physik möglich, nach denen sie sich hält. (BEN HUSSMAN / FLICKR)

Dennoch haben einige der besten Wissenschaftler der Welt begonnen, das anthropische Prinzip als Ersatz für wissenschaftliche Untersuchungen zu verwenden. Für die wissenschaftliche Gemeinschaft, die diesem Weg folgt, ist dies einer der gefährlichsten Wege, die möglich sind. Sie sind einem großen Risiko ausgesetzt: Sie glauben, Sie hätten etwas Sinnvolles entdeckt, wenn Sie alles getan haben, wenn Sie Einschränkungen an Ihre eigenen (nicht unbedingt guten) Annahmen stellen.

Wir gehen davon aus, dass wir gut erkennen können, welche Eigenschaften mit intelligentem Leben nicht vereinbar sind. Wir gehen davon aus, dass wir gut darauf hinweisen können, welche Arten von Universen unsere Existenz oder die Existenz eines Beobachters wie uns nicht eingestehen könnten. Und wir gehen davon aus, dass die philosophischen Schlussfolgerungen, die wir aufgrund unserer Erfahrungen und Extrapolationen ziehen, eine bedeutsame Einschränkung der Verdrahtung des Universums darstellen. Dies ist das Wesentliche des anthropischen Prinzips, und es ist möglicherweise nicht so richtig, wie wir es normalerweise akzeptieren.

Supernova-Überreste (L) und Planetennebel (R) sind beide Produkte sterbender, massereicher Sterne, die es ihnen ermöglichen, ihre verbrannten schweren Elemente zurück in das interstellare Medium und die nächste Generation von Sternen und Planeten zu rezyklieren. Diese Prozesse sind zwei Wege, auf denen die schweren Elemente erzeugt werden können, die für das Entstehen von Leben auf chemischer Basis notwendig sind, und es ist schwierig (aber nicht unmöglich), sich ein Universum vorzustellen, ohne dass es noch zu intelligenten Beobachtern kommt. (ESO / SEHR GROSSES TELESKOP / FORS INSTRUMENT & TEAM (L); NASA, ESA, C.R. O'DELL (VANDERBILT) UND D. THOMPSON (GROSSES BINOKULAR-TELESKOP) (R))

Das anthropische Prinzip entstand 1973, als der Physiker Brandon Carter die folgenden zwei Aussagen machte.

  1. Wir müssen bereit sein, die Tatsache zu berücksichtigen, dass unser Standort im Universum notwendigerweise so privilegiert ist, dass er mit unserer Existenz als Beobachter vereinbar ist.
  2. Das Universum (und damit die grundlegenden Parameter, von denen es abhängt) muss so beschaffen sein, dass es zu einem bestimmten Zeitpunkt die Entstehung von Beobachtern innerhalb des Universums zulässt.

Die erste Aussage ist jetzt bekannt als das Weak Anthropic Principle, das einfach besagt, dass das Universum so sein muss, dass wir in ihm entstehen könnten. Die zweite, umstrittenere Aussage wird als Strong Anthropic Principle bezeichnet, die besagt, dass wir, wenn sich niemand im Universum aufgetan hätte, niemals hier untersuchen würden.

Allein durch die Feststellung, dass wir in diesem Universum existieren und das Universum über grundlegende Parameter, Konstanten und Gesetze verfügt, reicht es aus, Schlussfolgerungen zu ziehen, auf welche Weise das Universum hätte sein können und was nicht.

Die vier Kräfte (oder Wechselwirkungen) der Natur, ihre Kraft tragenden Teilchen und die von ihnen beeinflussten Phänomene oder Teilchen. Die drei Wechselwirkungen, die den Mikrokosmos beherrschen, sind alle viel stärker als die Schwerkraft und wurden durch das Standardmodell vereinheitlicht. Es ist eine enorme Leistung, aber wir wissen immer noch nicht, warum die Gesetze so sind, wie sie sind, oder warum die Konstanten die Werte haben, die sie besitzen. (TYPOFORM / NOBEL MEDIA)

Wenn Sie das anthropische Prinzip richtig anwenden, kann dies tatsächlich zu brillanten wissenschaftlichen Fortschritten führen. Um die Jahrhundertwende des 20. Jahrhunderts legte Charles Darwins Evolutionstheorie nahe, dass Pflanzen und Tiere mindestens Hunderte von Millionen von Jahren benötigen werden, um die Vielfalt zu erreichen, die sie gegenwärtig zeigen, während die Geologie darauf hinweist, dass die Erde mindestens Milliarden Jahre alt war .

Es gab jedoch ein Problem damit: die Sonne. Um die Erde während dieser ganzen Zeit mit Strom zu versorgen, musste die Sonne kontinuierlich in der Nähe ihrer aktuellen Leistung (4 × 10²⁶ Watt) Leistung abgeben. Trotz der Masse der Sonne in der Sonne war dies eine Herausforderung für die Physik. Nicht weniger als Lord Kelvin versuchte zu kalkulieren, wie lange die Sonne noch leben könnte, wenn sie diese Kraft ständig ausschalten musste, und geriet in ein Rätsel, das man aus anthropischen Gründen aufstellen konnte.

Sirius A und B, ein normaler (sonnenähnlicher) Stern und ein weißer Zwergstern. Es gibt Sterne, die ihre Energie aus der Kontraktion der Schwerkraft gewinnen, aber es sind die Weißen Zwerge, die millionenfach schwächer sind als die Sterne, mit denen wir mehr vertraut sind. Erst als wir die Kernfusion verstanden hatten, begannen wir zu verstehen, wie Sterne leuchten. (NASA, ESA UND G. BACON (STSCI))

Die Sonne besteht größtenteils aus Wasserstoff, und Kelvin sah drei mögliche Szenarien vor, wie die Sonne all diese Energie hätte erzeugen können:

  1. Die Sonne verbrennt durch chemische Verbrennung eine Art Brennstoff, wie Wasserstoff. Dies würde zu einer Lebensdauer von nur wenigen zehn Millionen Jahren führen: unzureichend für die Anforderungen der Biologie und Geologie.
  2. Die Sonne könnte kontinuierlich eine Brennstoffquelle wie Kometen oder Asteroiden aufnehmen, die sie als Energiequelle verbrennt. Aber selbst wenn es alle uns bekannten Kometen und Asteroiden verschlingen und verwenden würde, würde es seine Lebensdauer nur um Zehntausende von Jahren verlängern, wieder unzureichend.
  3. Die Sonne könnte sich durch die Schwerkraft zusammenziehen, die Energie der Schwerkraft in Licht / Wärme umwandeln und die Erde (und das Sonnensystem) mit dieser Methode antreiben. Dies würde zu einer Lebensdauer von Hunderten von Millionen von Jahren führen, aber nicht mehr.

Dies konnte nicht mit der damaligen Physik und Geologie in Einklang gebracht werden, aber das Aufkommen eines neuen Mechanismus - der Wissenschaft der Kernfusion - führte zu einer Lösung, die alle zufrieden stellte.

Dieser Ausschnitt zeigt die verschiedenen Bereiche der Oberfläche und des Inneren der Sonne, einschließlich des Kerns, in dem die Kernfusion stattfindet. Obwohl Wasserstoff in Helium umgewandelt wird, stammt die Mehrheit der Reaktionen und die Mehrheit der Energie, die die Sonne antreibt, aus anderen Quellen. (WIKIMEDIA COMMONS USER KELVINSONG)

In ähnlicher Weise suchte man in den fünfziger Jahren nach einem detaillierten Verständnis darüber, wie die schwereren Elemente im Periodensystem erstellt wurden. Während der Kernfusionsprozess leicht Wasserstoff in Helium umwandeln konnte, erwies sich die Fusion von Helium zu schwereren Elementen als problematisch. Durch die Addition zweier Heliumkerne entsteht ein instabiles Berylliumisotop, das jedoch bereits nach ~ 10-16 Sekunden in zwei Heliumkerne zerfällt.

Unter den heißen, dichten Bedingungen in den Sternenzentren ist es möglich, einen dritten Heliumkern vor dem Zerfall einzubauen, aber die Reaktionsgeschwindigkeit wäre falsch. In der Physik ist es einfacher, eine Reaktion mit der richtigen Energie durchzuführen, und da Energie und Masse austauschbar sind (über Einsteins E = mc²), konnten Wissenschaftler erkennen, dass Kohlenstoffkerne zu leicht waren, um für die Heliumfusion verantwortlich zu sein.

Die Vorhersage des Hoyle-Staates und die Entdeckung des Triple-Alpha-Prozesses ist vielleicht der erstaunlich erfolgreichste Gebrauch anthropischen Denkens in der wissenschaftlichen Geschichte. (WIKIMEDIA COMMONS USER BORB)

Nach dem anthropischen Prinzip sind wir jedoch Beobachter, die in unserem Universum existieren, und wir selbst sind aus Kohlenstoff gefertigt. Natürlich muss das Universum einen Weg gefunden haben, diesen Kohlenstoff herzustellen, und die Heliumfusion ist der vernünftigste Weg. Das einzige Problem ist, dass die Energie des Kohlenstoffkerns nicht die richtigen Eigenschaften hat.

In einem atemberaubenden Geniestreich sagte der Wissenschaftler Fred Hoyle voraus, dass ein angeregter Zustand des Kohlenstoff-12-Kerns bei einer bestimmten Energie vorhanden sein muss, damit drei Helium-4-Kerne effizient im Inneren von Sternen zu Kohlenstoff fusionieren können. Die Entdeckung des theoretischen Hoyle-Staates und der Mechanismus zu seiner Bildung - der Triple-Alpha-Prozess - wurde vom Kernphysiker Willie Fowler gesucht und gefunden. Durch anthropische Überlegungen haben wir herausgefunden, wie die schweren Elemente im Universum in Sternen erzeugt wurden.

Willie Fowler in der W.K. Kellogg Radiation Laboratory bei Caltech, das die Existenz des Hoyle-Staates und den Triple-Alpha-Prozess bestätigte. (CALTECH ARCHIV)

Sie könnten daher meinen, dass diese Beispiele zeigen, wie wissenschaftlich das anthropische Prinzip ist. Diese stellen zwar eine gute Anwendung anthropischen Denkens dar, sind aber eher eine Demonstration der wahren Macht des anthropischen Prinzips: zu zeigen, dass eine Lösung unter einer Reihe von gegebenen Umständen möglich sein kann.

Die eigentliche Lösung erfordert jedoch die Anwendung der traditionellen Werkzeuge der Wissenschaft. In den achtziger Jahren wusste niemand, was die Nullpunkt-Energie des leeren Raums war. Wir hatten nie etwas gemessen, was einen Hinweis auf seinen Wert geben könnte. Die Tatsache, dass das Universum weder neu zusammengeklappt noch zu schnell expandiert hat, um die Bildung von Sternen und Galaxien zu verhindern, hat es uns erlaubt, ihm eine Grenze zu setzen: 10 bis 118 schwächer als eine naive Berechnung, die auf der Planck-Masse als de beruht Fakto Energieskala würde implizieren. Steven Weinbergs Prognose aus dem Jahr 1987 war ein wichtiger Meilenstein für die Anwendung des Anthropischen Prinzips.

Die vier möglichen Schicksale unseres Universums in die Zukunft; Das letzte scheint das Universum zu sein, in dem wir leben, dominiert von dunkler Energie. Was im Universum ist, zusammen mit den Gesetzen der Physik, bestimmt nicht nur, wie sich das Universum entwickelt, sondern auch, wie alt es ist. Wenn die dunkle Energie in der positiven oder negativen Richtung etwa 100 Mal stärker wäre, wäre unser Universum, wie wir es kennen, unmöglich gewesen. (E. SIEGEL / ÜBER DEN GALAXIE)

Als wir 1998 die dunkle Energie entdeckten, haben wir diese Zahl zum ersten Mal gemessen und sind zu dem Schluss gekommen, dass die naive Vorhersage 10-120 Mal so groß war. Das anthropische Prinzip konnte uns dahin führen, wo unsere Rechenleistung versagt hatte, aber das ist seine Grenze. Es kann uns sagen, wo die Grenzen dessen liegen, was für unser Universum möglich ist, und in unseren ansonsten freien Vorstellungen herrschen, aber es kann nicht unsere großen Fragen beantworten. Dafür brauchen wir wirkliche Wissenschaft.

Unglücklicherweise wurde das anthropische Prinzip stark missverstanden und wird oft falsch angewendet. Behauptungen sind heute in der wissenschaftlichen Literatur allgemein verbreitet, dass das anthropische Prinzip:

  • unterstützt ein Multiversum,
  • liefert Nachweise für die String-Landschaft,
  • fordert, dass wir einen großen Gasriesen haben, der uns vor Asteroiden schützt,
  • und erklärt, warum wir uns in der Entfernung vom galaktischen Zentrum befinden.

Mit anderen Worten, die Leute argumentieren, dass das Universum genau so sein muss, wie es ist, weil wir so existieren, wie wir es in diesem Universum tun, das mit seinen gegenwärtig beobachteten Eigenschaften existiert.

Wir können uns eine Vielzahl von möglichen Universen vorstellen, die existieren können, aber selbst wenn wir die Gesetze der Physik, wie sie bekannt sind, durchsetzen, gibt es noch grundlegende Konstanten, die genau bestimmen, wie sich unser Universum verhält und entwickelt. Um die Realität, wie wir sie kennen, zu beschreiben, ist eine große Anzahl grundlegender Konstanten erforderlich, obwohl viele hoffen, dass eine vollständigere Theorie die benötigte Anzahl irgendwann reduzieren wird. (JAIME SALCIDO / SIMULATIONEN DURCH DIE EAGLE ZUSAMMENARBEIT)

Aber so funktioniert das anthropische Prinzip nicht! Das Universum erlaubte es tatsächlich Beobachtern, zu existieren, aber es gibt viele andere Möglichkeiten, wie Beobachter anders entstanden sein könnten als der Weg, der zu uns führte.

Wir können sagen, dass ein imaginäres Universum, in dem die Gesetze der Physik die Existenz von Beobachtern unmöglich machen, als unsere Realität repräsentierend ausgeschlossen werden kann. Das ist eine schöne Aussage. Sie können jedoch nicht behaupten, dass sich das Universum genau so entwickelt haben muss, wie es getan hat. Sie können nicht verlangen, dass das Universum unsere Existenz verlangt. Und Sie können nicht verlangen, dass das Universum gezwungen wurde, uns genau so zu schaffen, wie wir es sind.

Weil das Universum nicht so ist wie es ist, weil wir hier sind. Diese Argumentation ist der größte Feind des anthropischen Prinzips von allen: ein einfacher logischer Fehlschluss.

Die String-Landschaft mag eine faszinierende Idee mit theoretischem Potenzial sein, sie sagt jedoch nichts voraus, was wir in unserem Universum beobachten können. Diese Vorstellung von Schönheit, die durch die Lösung

Es kann kein Zweifel bestehen, dass das Universum von Gesetzen, Konstanten und den Anfangsbedingungen regiert wird, aus denen es entstanden ist. Das gleiche Universum hat uns dann wiederum Anlass gegeben. Dies erfordert jedoch nicht, dass das Universum die genauen Eigenschaften besitzen muss, um unsere Existenz zuzugeben, und es impliziert auch nicht, dass ein Universum, das sich in gewisser Weise unterscheidet, für Beobachter eine Unmöglichkeit wäre. Am wichtigsten ist jedoch, dass wir das anthropische Prinzip nicht verwenden können, um zu erfahren, warum das Universum so ist, wie wir es sehen, im Gegensatz zu anderen Methoden.

Das anthropische Prinzip mag ein bemerkenswerter Ausgangspunkt sein, der es uns erlaubt, aufgrund der Tatsache unserer Existenz Beschränkungen für das Universum zu schaffen, aber dies ist keine wissenschaftliche Lösung an und für sich. Denken Sie daran, unser Ziel in der Wissenschaft ist es zu verstehen, wie das Universum durch natürliche Prozesse zu seinen aktuellen Eigenschaften gelangt ist. Wenn wir wissenschaftliche Untersuchungen durch anthropische Argumente ersetzen, werden wir niemals dorthin gelangen. Das Multiversum mag real sein, aber das anthropische Prinzip kann nicht wissenschaftlich erklären, warum die Eigenschaften unseres Universums so sind, wie sie sind.

Starts With A Bang ist jetzt auf Forbes und dank unserer Patreon-Anhänger erneut auf Medium veröffentlicht. Ethan hat zwei Bücher geschrieben: Beyond The Galaxy und Treknology: Die Wissenschaft von Star Trek von Tricorders bis Warp Drive.