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 bekommen, sollten Sie besser verstehen, was wir meinen!

Wenn wir uns heute in unserer Welt und im Universum umschauen, sprechen und denken wir über all die Dinge nach, die darin enthalten sind. Diese reichen von Teilchen, Atomen und Menschen bis 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, waren möglicherweise nicht für immer da. Einige davon entstanden aus einer bereits existierenden Materie, die es zuvor gab, 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 keine anderen Galaxien in ihrer Nähe hat. Dies ist jedoch keine echte Verwirklichung des leeren Raums. Bildnachweis: ESA / Hubble & NASA und N. Gorin (STScI); Anerkennung: Judy Schmidt.

1.) Eine Zeit, in der Ihr „Ding“ von Interesse nicht existierte. Wie hat das Universum Planeten geschaffen? Wie wäre es mit Sternen? Wie wäre es mit einer Materie-Asymmetrie? 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 erschaffen wurde. Planeten stammten aus dem recycelten Abfall früherer Generationen von Sternen, wo die schweren Elemente, aus denen ihre Kerne und festen Oberflächen bestehen, erzeugt und dann zurück in das interstellare Medium ausgestoßen wurden. Sterne kommen von kontrahierenden 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 bereits existierenden Formen von Materie stammt. Sie kommen eher von etwas als von nichts.

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 entstand, wo es keine Asymmetrie gab, ist noch offen. Bildnachweis: E. Siegel / Beyond The Galaxy.

Aber die Angelegenheit, die wir heute haben, kam nicht aus bereits bestehender 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 kommt unsere Materie-Asymmetrie? Aus einem zuvor symmetrischen Zustand; aus einem Zustand, in dem Materie und Antimaterie in gleichen Mengen existierten. Aus einer Zeit, in der es keine Asymmetrie gab. Nach Ansicht einiger bedeutet dies, 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 Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie eines der dringlichsten Rätsel der heutigen theoretischen Physik ist. Es gibt viele Ideen und Mechanismen, wie unsere Materie (und nicht Antimaterie) entstanden ist, aber uns fehlen die Beweise, die erforderlich sind, um einen Sieger zu erklären.

Das Standardmodell der Teilchenphysik berücksichtigt drei der vier Kräfte (mit Ausnahme der Schwerkraft), die gesamte Palette der entdeckten Teilchen und alle ihre Wechselwirkungen. Aus der zugehörigen Quantenfeldtheorie können wir auch Eigenschaften des Quantenvakuums herausfinden. Bildnachweis: Projekt für zeitgenössische Physikausbildung / DOE / NSF / LBNL.

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

Visualisierung einer quantenfeldtheoretischen Berechnung, die virtuelle Teilchen im Quantenvakuum zeigt. Selbst 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 im leeren Raum vorhandenen Felder, vom Higgs-Feld über Gravitationsfelder bis hin zu Quantenfeldern, die wir uns oft als Teilchen-Antiteilchen-Paare vorstellen, die in die Existenz hinein- und herausspringen, gibt es immer noch. Physikalische Gesetze wie die Quantenfeldtheorie sind immer noch da; Allgemeine Relativitätstheorie gibt es immer noch; Die Grundkonstanten sind nicht nur noch vorhanden, sondern haben dieselben 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 ganz anderen Wert ungleich Null in der fernen Vergangenheit die treibende Kraft hinter der kosmologischen Inflation. Wenn Menschen über das Universum sprechen, das aus dem Nichts entsteht, ist dies die Art von „Nichts“, auf das sie sich beziehen: der heiße Urknall, der durch Inflation geboren wird.

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

3.) Leere Raumzeit im möglichst energiearmen Zustand. Was wäre, wenn die Nullpunktsenergie des Universums auf ihren wahren Grundzustand reduziert würde? Als die Inflation zu Ende ging, gab es einen enormen Rückgang der Vakuumenergie des Universums: von der Inflationsskala auf den heutigen Wert. Dieser Rückgang der Energie des leeren Raums 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 lediglich in einem falschen Vakuumzustand befinden und das wahre Vakuum nach einem weiteren katastrophalen, das Universum verändernden Übergang auf uns wartet.

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 auf das wahre Vakuum herunterrollt. Während der Inflation. Das Universum befindet sich nicht in einem wahren Vakuumzustand. heute kann es auch nicht sein. Bildnachweis: Wikimedia Commons-Benutzer Stannered.

Wenn Sie den wahren Grundzustand erreichen und alle Materie-, Energie-, Strahlungs- und Raumzeitwellen aus Ihrem Universum vertreiben würden, was würden Sie übrig lassen? 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 gibt vielleicht keine Spieler, keine Besetzung, kein Drehbuch und keine Szene, aber im großen Abgrund des Nichts haben Sie immer noch eine Bühne. Das kosmische Vakuum wäre am Minimum; Es würde keine Hoffnung geben, diesem Vakuum Arbeit, Energie oder reale Teilchen zu entziehen, aber die Raumzeit und die Gesetze der Physik würden immer noch existieren. Wenn Sie diesem Universum ein Teilchen hinzufügen, würde es sich theoretisch nicht so sehr von einem isolierten Teilchen unterscheiden, das heute in unserem Universum existiert.

Die gesamte Suite dessen, was heute im Universum vorhanden ist, verdankt seinen 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 auch immer dir übrig bleibt, 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 müssten davon ausgehen, dass es so etwas wie 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 schaffen, wenn es kein Konzept für so etwas wie „vorher“ gibt, ohne dass bereits Zeit vorhanden ist? Und woher würden dann die Regeln für Teilchen und ihre Wechselwirkungen stammen? Bedeutet diese endgültige Definition von „nichts“ überhaupt etwas oder ist es nur ein logisches Konstrukt ohne eigene physikalische Bedeutung?

Schwankungen der Raumzeit selbst auf der Quantenskala werden während des Aufblasens über das Universum ausgedehnt, was zu Unvollkommenheiten sowohl in der Dichte als auch in den Gravitationswellen führt. Während das Aufblasen von Raum in vielerlei Hinsicht zu Recht als „nichts“ bezeichnet werden kann, sind sich nicht alle einig. Bildnachweis: E. Siegel, mit Bildern von ESA / Planck und der DoE / NASA / NSF Interagency Task Force für CMB-Forschung.

Hier besteht kein Konsens. Wenn die Sprache die Mehrdeutigkeit hat, die sie hat, können Sie „nichts“ sagen und sich zu Recht auf eine dieser Sprachen beziehen. Puristen warten gespannt darauf, 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 so etwas vorher nicht gab, kann man es nichts nennen, aber nicht jeder wird zustimmen. Wenn Sie alle Materie, Antimaterie, Strahlung und sogar räumliche Krümmung wegnehmen, können Sie sicherlich behaupten, dass es sich bei „nichts“ um etwas handelt, aber es gibt einige „Dinge“, die es noch gibt. Wenn Sie dann die dem Raum selbst innewohnende Energie 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, werden einige endlich damit einverstanden sein, eine solche Entität "nichts" zu nennen.

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

Also wer hat recht? Sie alle sind auf ihre Weise. Der Schlüssel ist nicht, darüber zu streiten oder zu streiten, was „nichts“ wirklich ist, sondern diese Definitionen zu akzeptieren und zu verstehen, wenn Menschen sie verwenden. Es ist von größter Bedeutung, eine Bedeutung nicht mit einer anderen zu verwechseln oder sich darüber zu streiten, warum es falsch ist, ein Wort auf eine bestimmte Weise zu verwenden. Wenn jemand - insbesondere ein Wissenschaftler - das Wort „nichts“ sagt, versuchen Sie stattdessen zu verstehen, welche Bedeutung er verwendet und welches Phänomen er zu erklären versucht. Denn so weit unsere Vorstellungskraft uns führen kann, besteht die einzig wahre Form des Wissens, auf das wir hoffen können, überhaupt darin, es in unserer eigenen physischen Realität auf die Probe zu stellen. Alles andere, egal wie logisch es klingt, ist nur ein Konstrukt unseres Geistes.

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