Das Universum ist ein riesiger, vielfältiger und interessanter Ort voller Materie und Energie in verschiedenen Formen, der sich gemäß den Gesetzen der Physik auf der Bühne der Raumzeit abspielt. Dies wird durch dieses Hubble-Weltraumteleskopbild des Galaxienhaufens IDCS J1426.5 + 3508 veranschaulicht. Wie viel müssen Sie jedoch mitnehmen, bevor Sie wirklich nichts mehr haben? Bildnachweis: NASA, ESA und M. Brodwin (University of Missouri).

Die vier wissenschaftlichen Bedeutungen von "Nichts"

Wenn Sie wissen möchten, wie wir etwas aus dem Nichts herausholen, sollten Sie verstehen, was wir meinen.

Wenn wir uns heute in unserer Welt und im Universum umschauen, reden und denken wir über all die Dinge nach, die darin enthalten sind. Diese reichen von Teilchen, Atomen und Menschen bis hin zu Planeten, Sternen, Galaxien und den größten Strukturen von allen. Je nachdem, woran wir interessiert sind, können wir über Gas, Staub, Strahlung, Schwarze Löcher oder sogar dunkle Materie sprechen. Aber all die Dinge, die wir sehen, beobachten oder auf die Existenz von heute schließen, könnten nicht für immer da gewesen sein. Einige davon entstanden aus einer bereits bestehenden Angelegenheit, andere schienen aus dem Nichts zu stammen. Es überrascht nicht, dass sich nicht alle darüber einig sind, was wir wissenschaftlich meinen, wenn wir darüber sprechen, was „nichts“ eigentlich ist. Je nachdem, wen Sie fragen (oder wann Sie sie fragen), erhalten Sie möglicherweise eine von vier verschiedenen Bedeutungen. Hier ist, warum sie alle relevant sind.

Die einsamste Galaxie im Universum, die seit 100 Millionen Lichtjahren in keiner Richtung andere Galaxien in ihrer Nähe hat. Dies ist jedoch keine echte Verwirklichung des leeren Raums. Bildnachweis: ESA / Hubble & NASA und N. Gorin (STScI); Danksagung: Judy Schmidt.

1.) Eine Zeit, in der Ihr "Ding" von Interesse nicht existiert hat. Wie hat das Universum Planeten geschaffen? Wie wäre es mit Sternen? Wie wäre es mit einer Asymmetrie der Materie? Diese Dinge existierten nicht immer, sondern mussten geschaffen werden. Wenn der Mechanismus bekannt ist, sagen wir normalerweise, dass unser „Ding“ eher aus etwas als aus nichts geschaffen wurde. Planeten stammten aus dem recycelten Schutt früherer Sterngenerationen, in denen die schweren Elemente, bestehend aus ihren Kernen und festen Oberflächen, erzeugt und dann in das interstellare Medium zurückgeworfen wurden. Sterne kommen aus zusammenziehenden Gaswolken, die Regionen enthalten, die dicht genug und heiß genug werden, um die Kernfusion zu entzünden. Sowohl Planeten als auch Sterne sind Materie, die aus vorbestehenden Formen von Materie stammt. Sie sind eine Sache, die eher von etwas als von nichts kommt.

Der Urknall produziert Materie, Antimaterie und Strahlung, wobei irgendwann etwas mehr Materie erzeugt wird, was heute zu unserem Universum führt. Wie diese Asymmetrie zustande kam oder woher keine Asymmetrie kam, ist noch offen. Bildnachweis: E. Siegel / Beyond The Galaxy.

Die Angelegenheit, die wir heute haben, stammte jedoch nicht aus einer bereits bestehenden Angelegenheit. Irgendwann in der fernen Vergangenheit bestand das Universum zu gleichen Teilen aus Materie und Antimaterie. Die Gesetze der Physik, die wir entdeckt haben, ermöglichen es uns nur, sie in gleichen Mengen zu erschaffen. Das Universum, das wir heute haben, besteht überwiegend aus Materie und nicht aus Antimaterie, wo jede der Milliarden von Galaxien, die wir kennen, aus Materie und nicht aus Antimaterie besteht. Woher kam unsere Materie-Asymmetrie? Aus einem zuvor symmetrischen Zustand; aus einem Zustand, in dem Materie und Antimaterie in gleichen Mengen existierten. Aus einer Zeit ohne Asymmetrie. Dies bedeutet für einige, dass die Angelegenheit, die wir heute haben, aus dem Nichts entstanden ist, obwohl andere, die sich strikt an eine der anderen Definitionen halten, dies bestreiten.

Dennoch bestreitet niemand, dass das wissenschaftliche Problem der Baryogenese oder der Ursprung der Materie-Antimaterie-Asymmetrie eines der dringendsten Rätsel der heutigen theoretischen Physik ist. Es gibt viele Ideen und Mechanismen, wie unsere Angelegenheit (und nicht Antimaterie) zustande kam, aber es fehlen die erforderlichen Beweise, um einen Sieger zu erklären.

Das Standardmodell der Teilchenphysik berücksichtigt drei der vier Kräfte (mit Ausnahme der Schwerkraft), die gesamte Reihe der entdeckten Teilchen und alle ihre Wechselwirkungen. Aus der zugehörigen Quantenfeldtheorie können wir auch Eigenschaften des Quantenvakuums ermitteln. Bildnachweis: Contemporary Physics Education Project / DOE / NSF / LBNL.

2.) Leerer Raum. Denken Sie an all die „Dinge“, die heute im Universum existieren. Denken Sie an jeden wesentlichen Bestandteil der Materie. jedes Strahlungsquantum; jedes schwarze Loch; jede Masse; jedes Teilchen und Antiteilchen. Stellen Sie sich nun vor, Sie würden alle entfernen. Stellen Sie sich vor, Sie würden sie irgendwie aus dem Universum entfernen und nichts als leeren Raum zurücklassen. Was hättest du übrig? Manche nennen das „nichts“ und sind mit dieser Definition ziemlich zufrieden.

Visualisierung einer quantenfeldtheoretischen Berechnung mit virtuellen Teilchen im Quantenvakuum. Auch im leeren Raum ist diese Vakuumenergie ungleich Null. Bildnachweis: Derek Leinweber.

Die als Raumzeit bekannte Entität ist immer noch da, ebenso wie die Gesetze der Physik. Alle Felder im leeren Raum, vom Higgs-Feld über Gravitationsfelder bis hin zu Quantenfeldern, die wir oft als Teilchen-Antiteilchen-Paare betrachten, die in der Existenz auf- und abspringen, sind immer noch vorhanden. Physikalische Gesetze wie die Quantenfeldtheorie gibt es immer noch; Die allgemeine Relativitätstheorie ist immer noch da; Die fundamentalen Konstanten sind nicht nur noch da, sondern sie haben die gleichen Werte wie heute. Und das Vakuum des leeren Raums selbst hat immer noch eine Nullpunktsenergie, die nicht Null ist. Dies manifestiert sich heute als dunkle Energie und war mit einem sehr unterschiedlichen Wert ungleich Null in der fernen Vergangenheit die treibende Kraft für die kosmologische Inflation. Wenn die Leute über das Universum sprechen, das aus dem Nichts entsteht, ist dies die Art von "Nichts", auf die sie sich beziehen: der heiße Urknall, der durch die Inflation geboren wird.

Eine Darstellung eines flachen, leeren Raums ohne Materie, Energie oder Krümmung jeglicher Art. Wenn dieser Raum die niedrigste mögliche Nullpunktsenergie hat, kann er nicht weiter reduziert werden. Bildnachweis: Amber Stuver / Living Ligo.

3.) Leere Raumzeit im niedrigstmöglichen Energiezustand. Was wäre, wenn die Nullpunktsenergie des Universums auf ihren wahren Grundzustand reduziert würde? Als die Inflation zu Ende ging, sank die Vakuumenergie des Universums enorm: von der Inflationsskala auf den heutigen Wert. Dieser Energieabfall im leeren Raum war verantwortlich für den massiven Anstieg der Teilchenenergie und den Ursprung des heißen Urknalls. Es gibt jedoch keine Garantie dafür, dass wir uns derzeit im Zustand mit der niedrigsten Energie befinden. Es ist möglich, dass wir uns nur in einem falschen Vakuumzustand befinden, und das wahre Vakuum erwartet uns nach einem weiteren katastrophalen, das Universum verändernden Übergang.

Ein Skalarfeld φ in einem falschen Vakuum. Es ist zu beachten, dass die Energie E höher ist als die im wahren Vakuum oder Grundzustand, aber es gibt eine Barriere, die verhindert, dass das Feld klassisch zum wahren Vakuum herunterrollt. Während des Aufblasens. das Universum ist nicht in einem wahren Vakuumzustand; heute kann es auch nicht sein. Bildnachweis: Wikimedia Commons-Benutzer Stannered.

Wenn Sie den wahren Grundzustand erreichen und die gesamte Materie, Energie, Strahlung und Raumzeit aus Ihrem Universum vertreiben würden, was bleibt Ihnen übrig? Das ist vielleicht die ultimative Vorstellung davon, was „physisches Nichts“ sein kann: Wo Sie noch eine Bühne haben, auf der das Universum spielen kann. Es mag keine Spieler, keine Besetzung, kein Drehbuch und keine Szene geben, aber im Abgrund des Nichts haben Sie immer noch eine Bühne. Das kosmische Vakuum würde an seinem Minimum sein; Es gab keine Hoffnung, diesem Vakuum Arbeit, Energie oder reale Teilchen zu entziehen, aber die Raumzeit und die Gesetze der Physik blieben bestehen. Wenn Sie diesem Universum ein Teilchen hinzufügen, würde es sich theoretisch nicht so stark von einem isolierten Teilchen unterscheiden, das heute in unserem Universum existiert.

Die gesamte Palette des heutigen Universums verdankt ihren Ursprung dem heißen Urknall. Grundsätzlich kann das Universum, das wir heute haben, nur aufgrund der Eigenschaften der Raumzeit und der Gesetze der Physik entstehen. Ohne sie können wir in keiner Form existieren. Bildnachweis: NASA / GSFC.

4.) Was immer du noch hast, wenn du das gesamte Universum und die Gesetze, die es regeln, wegnimmst. Endlich können Sie sich vorstellen, alles zu entfernen, einschließlich Raum, Zeit und die Regeln, die jede Art von Teilchen oder Energiequanten regeln. Dies schafft eine Art „Nichts“, für das Physiker keine Definition haben. Dies geht über das „Nichts“ hinaus, wie es im Universum existiert, und verwirklicht stattdessen eine Art philosophisches, absolutes Nichts. Aber im Kontext der Physik können wir diese Art von Nichts nicht verstehen. Wir müssen davon ausgehen, dass es einen Zustand außerhalb von Raum und Zeit gibt, in dem aus diesem hypothetischen Zustand des wahren Nichts Raumzeit entstehen kann.

Aber ist das möglich? Wie entsteht Raumzeit an einem bestimmten Ort, wenn es keinen Raum gibt? Wie können Sie den Beginn der Zeit erstellen, wenn es kein Konzept für so etwas wie "Vorher" gibt, ohne dass bereits Zeit vorhanden ist? Und woher würden dann die Regeln für Partikel und ihre Wechselwirkungen stammen? Bedeutet diese endgültige Definition von „nichts“ überhaupt etwas oder handelt es sich nur um ein logisches Konstrukt ohne eigene physikalische Bedeutung?

Schwankungen in der Raumzeit selbst auf der Quantenskala dehnen sich während der Inflation über das Universum aus und verursachen Unvollkommenheiten sowohl in der Dichte als auch in den Gravitationswellen. Auch wenn das Aufblasen von Räumen in vielerlei Hinsicht zu Recht als

Hier besteht kein Konsens. Wenn die Sprache die Ambiguität hat, die sie hat, können Sie „nichts“ sagen und sich legitimerweise auf eine von diesen beziehen, wobei Puristen eifrig darauf warten, Sie anzuschreien, wenn Sie es wagen, „nichts“ in einem Kontext zu verwenden, der weniger rein ist als ihre Definition. Wenn etwas grundlegend entstanden ist, wo es vorher kein solches gab, können Sie es nichts nennen, aber nicht jeder wird zustimmen. Wenn Sie die Materie, die Antimaterie, die Strahlung und sogar die räumliche Krümmung wegnehmen, können Sie sicher behaupten, dass es sich um "nichts" handelt, aber es gibt noch einige "Dinge", die es gibt. Wenn Sie dann die Energie, die dem Raum selbst innewohnt, wegnehmen und nur die Raumzeit und die Naturgesetze belassen, können Sie dies auch als „nichts“ bezeichnen. Aber philosophisch werden einige Leute immer noch unzufrieden sein. Nur wenn man das auch wegnimmt, wird man sich endlich damit abfinden, eine solche Entität "nichts" zu nennen.

Es wird vorausgesagt, dass die Partikel und Antiteilchen des Standardmodells als Folge der Gesetze der Physik existieren. Kann ohne diese Gesetze oder ohne das Stadium der Raumzeit jemals etwas Sinnvolles entstehen? Bildnachweis: E. Siegel / Beyond The Galaxy.

Also, wer hat Recht? Sie sind alle auf ihre eigene Weise. Der Schlüssel ist nicht, sich zu streiten oder darüber zu streiten, was „nichts“ wirklich ist, sondern diese Definitionen zu akzeptieren und zu verstehen, während Menschen sie verwenden. Es ist von größter Wichtigkeit, eine Bedeutung nicht für eine andere zu verwechseln oder darüber zu streiten, warum es falsch ist, ein Wort auf eine bestimmte Art und Weise zu verwenden. Wenn jemand - insbesondere ein Wissenschaftler - das Wort "nichts" sagt, versuchen Sie zu verstehen, welche Bedeutung er verwendet und welches Phänomen er zu erklären versucht. Denn so weit uns unsere Vorstellungskraft reicht, besteht die einzig wahre Form des Wissens, das wir in Bezug auf irgendetwas erhoffen können, darin, es in unserer eigenen physischen Realität auf die Probe zu stellen. Alles andere, egal wie logisch es ist, ist nur ein Konstrukt unseres Verstandes.

Starts With A Bang ist jetzt auf Forbes und dank unserer Patreon-Unterstützer auf Medium neu aufgelegt. Ethan hat zwei Bücher verfasst, Beyond The Galaxy und Treknology: The Science of Star Trek von Tricorders bis Warp Drive.