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.

Was ist die Physik des Nichts?

Und können wir uns überhaupt auf die Definition von „Nichts“ einigen?

„Allein falle ich oft ins Nichts. Ich muss heimlich meinen Fuß schieben, damit ich nicht vom Rand der Welt ins Nichts falle. Ich muss meinen Kopf gegen eine harte Tür stoßen, um mich wieder an den Körper zu erinnern. “-Virginia Woolf

Wenn du einem Teil des Universums alles wegnimmst, was bleibt dir übrig? Sie gehen davon aus, dass die Antwort "nichts" lautet, aber vielleicht stimmt das nicht ganz. Sie können alle Partikel und Antiteilchen entfernen, alle Arten von Strahlung, alle Raumkrümmungen und Wellen der Gravitation entfernen und sich in einem leeren Raum wiederfinden, in dem Sie mit nichts zu tun haben. Doch ist das wirklich „nichts“ oder gibt es dort noch etwas?

Eine Darstellung eines flachen, leeren Raums ohne Materie, Energie oder Krümmung jeglicher Art. Bildnachweis: Amber Stuver aus ihrem Blog Living Ligo unter http://www.livingligo.org/.

Ein üblicher Weg, diesen Zustand zu betrachten, ist das Quantenvakuum. Es ist der Zustand mit der niedrigsten Energie im leeren Raum, und dennoch ist eines der rätselhaften Dinge, die uns die Quantenphysik lehrt, dass die Nullpunkt-Energie oder der Grundzustand des Universums kein Zustand mit null Energie ist. Im Gegenteil, es ist ein endlicher, positiver Wert, nämlich:

  • beobachtend gemessen - dank der Einwirkung von Dunkler Energie - entspricht dies in etwa der Ruhemassenenergie von etwa einem Proton pro Kubikmeter,
  • und theoretisch berechnet, nach bestem Wissen und Gewissen, ungefähr 10²⁰ mal höher als dieser Wert.

Es ist nicht schwer zu sagen, dass wir die Physik des Nichts nicht sehr gut verstehen, und wir haben auch keine gute Erklärung dafür, warum sich diese Nullpunkt-Energie im Laufe der Zeit nicht verdünnt oder verringert (oder sich überhaupt zu ändern scheint).

Ein konzeptionelles Bild des NASA-Satelliten WFIRST, der 2024 starten soll und uns die präzisesten Messungen aller Zeiten von Dunkler Energie liefert. Bildnachweis: NASA / GSFC / Conceptual Image Lab.

In den kommenden Jahrzehnten sollten weltraumgestützte Observatorien wie der Euklid-Satellit der ESA und die bevorstehende WFIRST-Mission der NASA in der Lage sein, die Konstanz dieser Nullpunkt-Energie über Raum und Zeit auf besser als 1% zu beschränken. (Die besten Einschränkungen liegen derzeit bei ~ 8%). Indem wir messen, wie sich das Universum über seine Geschichte von vielen verschiedenen Orten und aus vielen verschiedenen Entfernungen von uns ausgedehnt hat, sollten wir bestätigen können, dass die Nullpunkt-Energie des Universums überall und zu jeder Zeit in einem beispiellosen Ausmaß gleich ist.

Visualisierung einer quantenfeldtheoretischen Berechnung mit virtuellen Teilchen im Quantenvakuum. Bildnachweis: Derek Leinweber.

Aber ist das wirklich dasselbe wie nichts? Und was vielleicht noch wichtiger ist: Ist unsere Wahrnehmung und Vorstellung von Nichts nur eine Illusion, oder ist es der Schlüssel zum Verständnis einiger der wichtigsten Geheimnisse des Universums?

Dies war das Thema einer kürzlich am Institut für Kunst und Ideen geführten Diskussion, deren Panels die engste europäische Analogie zu der in den USA gehaltenen TED-Vortragsreihe darstellen. Jeder Diskussionsteilnehmer - die Physiker Laura Mersini-Houghton und John Ellis sowie der Philosoph James Ladyman - gibt oben seine Meinung wieder. Das Problem ist, dass wir uns, obwohl dies keine Illusion ist, nicht einig sind, was wir unter "Nichts" verstehen.

  • Diese Grundzustandsenergie, die in der Vergangenheit anders (und viel größer) gewesen sein mag? (Zum Beispiel während der kosmischen Inflation.)
  • Ein Zustand außerhalb von Raum und Zeit, in dem die Raumzeit aus einem wahren Nichts-Zustand hervorgeht? (Existiert ein solcher Zustand überhaupt oder wäre seine Existenz überhaupt sinnvoll?)
  • Meinen Sie das Nichts unseres Universums, das sich möglicherweise von dem unterscheidet, was Nichts in anderen Taschen des Multiversums ist?
  • Oder meinst du das kosmische Vakuum mit all seiner virtuellen Energie und was kann sich ändern, je nachdem, was darin ist?

Es ist ein seltsamer Gedanke, dass das, was wir als "unser Nichts" betrachten, möglicherweise nicht mit dem "Nichts" an anderen Orten, zu anderen Zeiten oder an anderen Orten identisch ist.

Das Quantenvakuum - die Nullpunktsenergie des Universums - wird dadurch bestimmt, wo sich der „Ball“ des Universums auf diesem Hügel befindet. Während der Inflation war es oben, heute unten (knapp über, aber nicht gleich null), und möglicherweise wird es in Zukunft einen weiteren Übergang in einen niedrigeren Zustand geben. Bildnachweis: E. Siegel, aus seinem Buch

Aber wir denken, dass der „heiße Urknall“ auf diese Weise seinen Anfang genommen hat! Durch den Übergang von einer höheren zu einer niedrigeren Nullpunktsenergie ging das expandierende Universum, das mit einer großen Energiemenge gefüllt war, die dem Raum selbst innewohnt, in einen Zustand niedrigerer Energie über, und dieser Übergang führte zur Erschaffung der gesamten Materie, der Antimaterie und Strahlung im heutigen Universum. Es ist sogar möglich, dass wir irgendwann in der Zukunft einen weiteren Übergang haben, bei dem uns vielleicht ein weiterer, kühlerer heißer Urknall erwartet.

Der Urknall produziert Materie, Antimaterie und Strahlung, wobei irgendwann etwas mehr Materie erzeugt wird, was heute zu unserem Universum führt. Bildnachweis: E. Siegel, aus seinem Buch

Und doch ist es philosophisch unbefriedigend. Dieses "physische Nichts" klingt nach etwas, nicht wahr? Wenn wir über nichts reden wollen, bringen uns unsere Vorstellungen aus dem Raum und bevor das Universum begann, macht das überhaupt Sinn? Wie können Sie über "draußen" sprechen, wenn Sie keinen Platz haben? Wie können Sie über etwas "Vorheriges" sprechen, wenn Sie keine Zeit haben?

Und was auch immer „Nichts“ wirklich ist, es enthält das gesamte Universum. (Philosophisch gesehen ist dies eine langjährige Lehre des Buddhismus.)

Viele Physiker behaupten, dass es grundsätzlich keine Möglichkeit gibt, etwas zu verstehen, bis wir nichts verstehen. Und obwohl wir es nur teilweise verstehen - das heißt, wir verstehen die grundlegenden Naturgesetze, die die leere Raumzeit regeln -, verstehen wir nicht, woher diese grundlegenden Gesetze stammen und ob sie selbst ein "Ding" sind.

Das Standardmodell der Elementarteilchenphysik, das 3/4 der Grundgesetze unseres Universums darstellt. Bildnachweis: Contemporary Physics Education Project / DOE / NSF / LBNL.

Wir können also sagen, dass unser Universum tatsächlich aus dem Nichts kam und sein Endzustand nach einer willkürlich langen Zeit auch zu nichts führen könnte. Dies ist jedoch nur möglich, wenn Sie unsere Beschreibung eines physischen Nichts als wahres Nichts akzeptieren. Die Definition des Nichts selbst ist möglicherweise nicht unabhängig von unseren Definitionen von Raum, Zeit und den „Regeln“ des Universums. Darin kann sich niemand - weder Physiker noch Philosophen - unbedingt einigen. Es gibt noch keinen physischen Test, bei dem wir sagen könnten: "Haben wir das wirklich auf nichts reduziert?"

Der heiße Urknall resultierte aus dem Ende der kosmologischen Inflation. Aber das erforderte immer noch die Existenz von Raum, Zeit und einer großen Nullpunktsenergie. Woher kam das alles? Bildnachweis: Bock et al. (2006, astro-ph / 0604101); Modifikationen von E. Siegel.

Ein paar Dinge sind sicher: Wir haben nicht immer existiert; wir werden nicht immer existieren; Wir existieren jetzt. Was auch immer das Nichts wirklich ist, wir sind jetzt alle etwas. Und was auch immer jetzt existiert, es kam auf einer bestimmten Ebene aus dem Nichts, egal wie du nichts definierst. Und so gut wir das Universum verstehen, wird es auch in einen Zustand zurückkehren, der sich einem unendlichen, physischen Nichts nähert. Aber was genau ist die Natur des ultimativen „Nichts“ wirklich? Das ist vielleicht immer noch das Geheimnis, nach dem wir alle grundlegend suchen.

Dieser Beitrag erschien zum ersten Mal bei Forbes und wird Ihnen von unseren Patreon-Unterstützern werbefrei zur Verfügung gestellt. Kommentieren Sie unser Forum und kaufen Sie unser erstes Buch: Beyond The Galaxy!