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Unser Universum ist nicht das einzige

Wir sind nicht das Zentrum im All – diese Erkenntnis erschütterte einst unser Weltbild. Jetzt bahnt sich die größte aller gedanklichen Revolutionen an: Das Weltall könnte nur ein winziger Teil eines gigantischen Multiversums sein.

„E pluribus unum“ („Aus vielen eines“) steht seit 1782 auf dem Siegel der USA. Der Wahlspruch, der auf den antiken Philosophen Heraklit zurückgeht, könnte auch als Motto für eine der größten Herausforderungen der aktuellen Kosmologie dienen. Manche befürchten allerdings, dass dadurch die Grundfesten der Wissenschaft erschüttert werden. Denn die Entwicklungen der letzten Jahre haben eine Annahme ins Wanken gebracht: dass die Welt eine Einheit darstellt, die eins und alles ist – das Universum.

Doch an dieser Vorstellung rütteln Quantenphysiker und Kosmologen immer heftiger. Wenn sie recht haben, gibt es nicht ein Universum, sondern viele – möglicherweise sogar unendlich viele. Mehr noch: Die Universen gehen vielleicht auseinander hervor wie Zweige aus Ästen oder wie sprießende Hefezellen. Sie könnten exakte Doppelgänger von jedem von uns enthalten – und zudem alle möglichen Varianten. Manche Kosmologen meinen sogar, dass alles, was physikalisch möglich ist, auch notwendig existieren muss.

Viele Horizonterweiterungen

Diese abenteuerlichen Hypothesen stehen in einer langen Tradition astronomischer Horizonterweiterungen. Einst dachte man, dass die Erde das Zentrum des Alls sei, umschlossen von einer Kristallsphäre, an der wie Lampions die Sterne hängen. Inzwischen hat sich das Weltbild radikal gewandelt. Die Erde kreist um einen durchschnittlichen Stern am Rand eines galaktischen Spiralarms, als ein Planet unter Abermilliarden – und das bei Abermilliarden von Sternen in Abermilliarden von Galaxien. Einen Mittelpunkt hat der – womöglich unendlich große – Weltraum auch nicht. Dass selbst unser Universum nichts Besonderes und Einmaliges ist, erscheint da als eine logische Fortsetzung. Brian Greene von der Columbia University sprach kürzlich vom „Superkopernikanischen Prinzip“: Wie die Erde hat auch das Universum keine Sonderstellung, sondern ist lediglich Teil eines „Multiversums“ .

„Gut begründete Ideen, dass die physikalische Realität sehr viel größer ist als die menschliche Wahrnehmung von ihr und dass der beobachtbare Teil nicht repräsentativ für das Ganze ist, gibt es auf vielen Ebenen“, schlägt Frank Wilczek vom Massachusetts Institute of Technology in dieselbe Kerbe. Er erhielt 2004 den Physik-Nobelpreis für seine Arbeiten zur Quantenfeldtheorie der Starken Wechselwirkung. „Es könnte sein, dass die Naturgesetze, mit denen wir das beobachtbare Universum erfolgreich beschreiben, am natürlichsten in einem größeren Rahmen formuliert werden müssen, der unbeobachtbare Bereiche einschließt.“ Dafür argumentiert er in einem mit „Multiversality“ betitelten Fachartikel, der demnächst in der Zeitschrift Classical and Quantum Gravity erscheint. Darin stellt er die Frage: „Gibt es Aspekte des Universums, die durch die Multiversalität erklärt werden können, aber nicht auf andere Weise?“ Und er nennt mehrere gewichtige Gründe, warum die Antwort „Ja“ lauten muss.

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Andere renommierte Kosmologen und Physiker wie Alan Guth, Alexander Vilenkin, Andrei Linde, Leonard Susskind, der Königliche Astronom Sir Martin Rees (Baron Rees of Ludlow) und der Physik-Nobelpreisträger Steven Weinberg haben in den vergangenen Jahren ebenfalls scharfsinnig dafür argumentiert, die Existenz anderer Universen ernsthaft in Betracht zu ziehen.

Aber es regt sich auch vehementer Widerspruch von nicht minder prominenter Seite. „Es handelt sich eher um ein vages Konzept als um eine definierte Theorie“, kritisiert George Ellis von der Universität Kapstadt, wie sein früherer Kollege Stephen Hawking seit Jahrzehnten ein bedeutender Kosmologe. Er wirft den Multiversum-Anhängern vor, dass sie „stillschweigend die Bedeutung von Wissenschaft neu definieren“.

Und der Physik-Nobelpreisträger Robert B. Laughlin schimpft: „ Wie kann es passieren, dass Leute dafür bezahlt werden, über Dinge zu sprechen, die nie gemessen werden können und vermutlich nicht wahr sind?“ Der Festkörperphysiker verkündet damit auch den „Abschied von der Weltformel“.

haltlose spekulationen?

Ellis, Laughlin & Co. bemängeln, dass mit Multiversen-Szenarien prinzipiell unüberprüfbare Behauptungen in die Welt gesetzt würden. Mit harter Wissenschaft habe das nichts zu tun. Vorhersagen wären unmöglich, der Beliebigkeit sei Tür und Tor geöffnet, und das Erfolgsrezept der strengen Maximen der Forschung würde unterlaufen.

Die Multiversum-Anhänger erwidern, dass es sich keineswegs um haltlose Spekulationen handele, sondern um Konsequenzen bestätigter Theorien oder zumindest gut begründeter Szenarien. Die Multiversum-Hypothese könne ansonsten völlig unverständliche Eigenschaften unseres Universums erklären, teils sehr wohl getestet werden und sei ein seriöser Zweig der Wissenschaft.

Was ist ein Universum?

Der Begriff „Multiversum“ leitet sich von „Universum“ ab, worin das lateinische Wort „unus“ für „ein Einziger“ steht, und vervielfacht dieses im Wortanfang, denn „multus“ bedeutet „viel, zahlreich“. Es bezeichnet die in der aktuellen Kosmologie so beliebte wie umstrittene Hypothese, dass eine Vielzahl von Universen existiert. Zuweilen wird „Multiversum“ synonym mit „ Megaversum“, „Metaversum“, „Omniversum“, „Ultraversum“ oder „ Welt-Ensemble“ verwendet.

Die Probleme und Konfusionen beginnen schon mit der Terminologie. Denn es werden mindestens sechs verschiedene, sich teilweise überlappende Begriffe gebraucht. Mit „Universum“ kann gemeint sein:

(1) alles, was (physikalisch) existiert – irgendwann und irgendwo,

(2) die beobachtbare Region des Alls,

(3) die beobachtbare Region des Alls und alles, was mit ihr in kausaler Wechselwirkung stand oder einmal stehen wird,

(4) jedes physikalische System, das universell groß werden könnte, selbst wenn es in sich zusammenstürzt, solange es noch klein ist,

(5) ein Zweig der quantenphysikalischen Wellenfunktion (falls diese nie kollabiert) – das heißt, eine von verschiedenen Historien oder verschiedenen Welten in Superposition (siehe Kasten S. 51, „Viele Quantenwelten“),

(6) vollständig getrennte physikalische Systeme.

Gemäß (1) gibt es lediglich ein einziges Universum, aber das löst das Problem selbstverständlich nicht. Begriffe wandeln sich mit dem wissenschaftlichen Fortschritt – so hat zum Beispiel das „ Atom“ (von griechisch „atomos“, unteilbar) heute seine ursprüngliche Bedeutung verloren. Die Kosmologen bezeichnen aktuell mit Multiversum in der Regel die Menge der Universen im Sinn von (2), (3) oder (4), wobei (5) jeweils hinzukommen kann, wenn man diese Interpretation der Quantenphysik teilt – was viele Quantenkosmologen wie Stephen Hawking tun. (6) ist die radikalste Auffassung und im Augenblick eher im Reich der Metaphysik angesiedelt. Wäre (6) richtig, könnte es sogar komplett isolierte Multiversen geben, sodass man noch einen umfassenderen Begriff für ihre Gesamtheit bräuchte. Vorschläge gibt es bereits: Omniversum oder Kosmos.

begrenzte Froschperspektive

Dass es theoretisch eine Fülle von Universen gibt, ist unumstritten – jede Lösung der Feldgleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie beschreibt bereits ein eigenes kosmologisches Modell. Doch welche dieser Modelle sind physikalisch gesehen Realität? Oder hat womöglich der Kosmologe Max Tegmark vom Massachusetts Institute of Technology recht, wenn er meint, dass alle mathematischen Strukturen real sind und wir aus unserer Froschperspektive nur eine einzige wahrnehmen können, die wir hochtrabend „Universum“ nennen?

Fest steht, dass Kosmologen mehr brauchen als ein paar komplizierte Gleichungen. Gesucht ist eine Theorie, die die Entstehung und physikalische Einbettung vieler Universen erklären und zwingend erschließen lassen kann. Mehrere solcher Ansätze haben sich in den letzten Jahren herausgeschält. Das geschah zum Teil gleichsam unter der Hand der Forscher und sogar entgegen ihren Absichten und Erwartungen. Heute hat es fast den Anschein, sie könnten die Zahnpasta nicht mehr in die Tube ihrer weltumspannenden Theorien zurückbefördern, selbst wenn sie es wollten. Der multiversale Geist ist gleichsam aus der Flasche und spukt jetzt überall herum.

Gegenwärtig sind es vor allem drei Szenarien, die sich als „ Universen-Schleudern“ erwiesen haben. Jedes bedingt für sich die Existenz eines Multiversums, und sie schließen einander nicht aus. Begonnen hat diese schwindelerregende Entwicklung mit einer Idee, die inzwischen als Standarderweiterung der Urknall-Theorie gilt: der Kosmischen Inflation.

Was ist die Kosmische Inflation?

Der Urknall gilt als erwiesene Tatsache, denn die kosmologische Standardtheorie, in deren Zentrum er steht, wurde inzwischen exzellent bestätigt (bild der wissenschaft 11/2009, „ Der Urknall“). Doch sie lässt auch viele Fragen offen. So bleibt unklar, was den Urknall auslöste, woher die Elementarteilchen kamen und wodurch der Weltraum so groß wurde.

Eigentlich handelt die Urknall-Theorie gar nicht vom Urknall selbst, sondern von seinen Folgen. Ob mit dem Urknall Raum und Zeit erst entstanden sind, wird nicht erklärt. Diese Frage kann, wenn überhaupt, erst mit einer Theorie der Quantengravitation beantwortet werden, die die Quantenfeldtheorien mit der Allgemeinen Relativitätstheorie verknüpft (siehe Grafik rechts „ Weg zur Weltformel“).

Was den Weltraum Gross machte

Unabhängig davon gibt es weitere Schwierigkeiten, die bereits in den 1960er- und 1970er-Jahren offenkundig wurden. So hat Stephen Hawking 1973 auf die außerordentlich unwahrscheinliche „ Flachheit“ des Weltraums hingewiesen, also auf die Tatsache, dass er auf großen Skalen nicht oder fast nicht gekrümmt ist. Dieses Problem lässt sich, wie viele weitere, überraschend auf einen Schlag lösen: durch das Szenario der Kosmischen Inflation (siehe Tabelle S. 44, „Prima Paradigma“).

Diese Inflation (von lateinisch „inflare“, aufblähen) hat nichts mit Geldentwertung zu tun. Im Gegenteil: Die Natur soll damit fast alles aus fast nichts erzeugt haben – und das ohne den Satz von der Erhaltung der Energie zu verletzen, also quasi kostenlos.

Durch die Kosmische Inflation hat sich der Weltraum in einem Sekundenbruchteil gigantisch aufgebläht. Wie lange diese rasante Ausdehnung währte, ist von Modell zu Modell verschieden. Ein populärer Wert: In 10–30 Sekunden expandierte das junge All um das 1030-Fache – das ist so, als würde sich eine ein Zentimeter große Münze auf das Zehnmillionenfache der Milchstraße aufblähen. Fest steht, dass sich die Größe des Alls durch die Inflation mindestens 50 Mal verdoppelt hat, denn sonst hätte das All heute nicht die Eigenschaften, die die astronomischen Beobachtungen zeigen – beispielsweise die großräumige Gleichförmigkeit seiner Materieverteilung und die „flache“ Geometrie.

Obwohl die Inflation also auf den ersten Blick gleich zwei Naturgesetze zu verletzen scheint, ist das nicht der Fall:

· Das Prinzip von der Erhaltung der Energie verbietet die Entstehung von Masse aus dem Nichts. Doch es gibt ein Schlupfloch: die negative Energie. Dazu gehört die Energie des Gravitationsfelds. Erscheint mehr positive Energie – und gemäß E = mc² somit Masse –, wenn ein Raumbereich sich mit konstanter Dichte ausdehnt, dann bildet sich zugleich mehr negative Energie im Gravitationsfeld, das diese Region ausfüllt. Die Energien der Schwerkraft und Masse gleichen einander gerade aus, die Gesamtenergie bleibt also erhalten. Dies geschieht nicht bei der normalen Ausdehnung des Universums, weil hier die Dichte der Materieenergie geringer wird, wohl aber bei der inflationären Expansion, weil die Energiedichte in diesem Zustand konstant bleibt.

· Gemäß der Relativitätstheorie kann sich nichts schneller als mit Lichtgeschwindigkeit bewegen. Aber dies gilt nur für gewöhnliche Teilchen im Raum. Bei der Inflation ist es der Raum selbst, der sich überlichtschnell ausdehnt. Und das lässt sich mit der Allgemeinen Relativitätstheorie nicht nur vereinbaren, sondern auch erklären.

Der Zerfall des falschen Vakuums

Was genau die Inflation antrieb – und wieder stoppte –, ist bis heute unklar. Der Einfachheit halber nehmen die Kosmologen einen physikalischen Grundzustand an, das „falsche Vakuum“. Dieser Zustand soll von einem Energiefeld namens Inflaton beherrscht worden sein (oder von mehreren), bis dieses in einem sogenannten Symmetriebruch spontan zerfiel und das „echte Vakuum“ entstand, also ein neuer Zustand, in dem sich unser Universum seither befindet.

Das klingt exotisch. Doch ähnliche „Phasenübergänge“ gab es nachweislich auch später, bei der Aufspaltung der Naturkräfte, und sie sind alte Bekannte in der Elementarteilchenphysik. Auch das Higgs-Feld – das in einigen Modellen sogar mit dem Inflaton in Zusammenhang gebracht wird – unterlag etwa 10–11 Sekunden nach dem Urknall einer Symmetriebrechung. Erst dadurch bekamen die Elementarteilchen überhaupt ihre träge Masse.

Die ersten Modelle der Kosmischen Inflation entwickelten ab 1979 die Physiker Alan Guth, Alexei A. Starobinsky, Alex Vilenkin, Andrei Linde und Paul Steinhardt. Auch Stephen Hawking war sofort Feuer und Flamme und beteiligte sich an der Forschung – bis heute. Er und andere erkannten bereits 1982, dass die Inflation kleine zufällige Irregularitäten enorm vergrößert haben müsste.

Das war der Beginn eines neuen Forschungszweigs, der das Allerkleinste mit dem Allergrößten verbindet: Winzige Quantenfluktuationen wurden durch die Inflation später zu gewaltigen Dichteschwankungen im Urgas aufgeblasen, überlegten die Forscher. Ein „Abdruck“ hiervon müsste sich als geringfügige Temperaturschwankungen in der Kosmischen Hintergrundstrahlung abzeichnen: Wo sich etwas mehr Materie konzentrierte, war es ein paar Hunderttausendstel Grad wärmer. Diese regionalen Verdichtungen hätten mit ihrer höheren Schwerkraft die Keimzellen der künftigen Sterne und Galaxien gebildet.

Tatsächlich hat der Satellit COBE (Cosmic Background Explorer) ein Jahrzehnt später erste Anzeichen solcher Temperaturschwankungen gemessen – für ihre Entdeckung gab es 2006 einen Physik-Nobelpreis, für die Voraussagen allerdings nicht. Inzwischen haben irdische Teleskope sowie die Raumsonden WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) und Planck sie sehr genau kartiert – ein Triumph der Wissenschaft.

Einfachheit, Eleganz – und Rätsel

Zwar glänzt das Szenario der Inflation in seinen Grundzügen durch Einfachheit und Eleganz. Doch viele Details sind bis heute rätselhaft. Inzwischen gibt es Hunderte konkurrierender Modelle. Sie lassen sich zwar im Prinzip jedes für sich überprüfen, doch es ist unklar, ob das Szenario insgesamt falsifiziert werden kann – und die Widerlegbarkeit gehört ja zu den grundlegenden Merkmalen wissenschaftlicher Hypothesen. Deshalb ist es gut, dass in den letzten Jahren ein paar konkurrierende Ansätze entwickelt wurden. Doch die Idee der Kosmischen Inflation hat inzwischen so viele Tests bestanden und eine so große Erklärungskraft entfaltet, dass sie fast schon als „Standarderweiterung“ der Standardtheorie vom Urknall gilt.

Diese Erweiterung ist auch eminent räumlich zu verstehen. Denn im Gegensatz zur ursprünglichen Urknall-Theorie stammt im Szenario der Inflation nicht nur der gesamte beobachtbare Weltraum, sondern ein sehr viel größerer Bereich aus einer winzigen, superdichten Region, die sich exponentiell schnell ausgedehnt hat.

Die schlechte Nachricht dabei ist: Wenn die Inflation sehr lange gedauert hat, wurde durch sie alles aus der Zeit zuvor so explosionsartig verdünnt, dass es sich heute prinzipiell nicht mehr beobachten lässt. Dann wären sämtliche Spuren vom Anfang der Inflation unzugänglich. Der Beginn von allem wäre für immer verborgen.

Die gute Nachricht: Die Anfangsbedingungen des Universums könnten viel weniger speziell gewesen sein als bislang gedacht. Das verringert die Unwahrscheinlichkeit der Weltentstehung beträchtlich und gibt der Kosmologie eine zusätzliche Erklärungstiefe.

Die Inflation hat, so die Vorstellung der Kosmologen, unsere Welt nicht nur groß gemacht, also den Spielraum für alles Weitere geschaffen, sondern sie lieferte gleichsam auch das Spielzeug frei Haus. Am Ende der Inflation, so die gängige Ansicht, verwandelte sich die Energie des berstenden Inflatonfelds beim Übergang vom „falschen“ ins „echte“ Vakuum in eine Kaskade von Elementarteilchen. Das war die Geburt der Materie.

Szenario I Die Ewige Inflation

„Die Inflation ist in gewisser Weise nicht ein Teil des Urknall-Modells, wie früher gedacht, sondern der Urknall ist ein Teil des Szenarios der Kosmischen Inflation“, sagt Andrei Linde, der den Urknall mit der Erzeugung der Materie gleichsetzt. Doch die Konsequenzen gehen sehr viel weiter: Wenn die Inflation nicht überall im Kosmos gleichzeitig aufgehört hat, sondern an unterschiedlichen Stellen zu unterschiedlichen Zeiten, gab es nicht nur einen einzigen – unseren – Urknall, sondern ungeheuer viele. Und mit jedem entstand eine neue Raumblase, die nicht weiter inflationierte und die als separates Universum bezeichnet werden kann (siehe Grafik S. 46, „Universen wie Seifenblasen“ ).

Dieser Vorgang ist mit Gasblasen vergleichbar, die sich in kochendem Wasser bilden. Alle diese kosmischen Blasen, so die Idee, sind durch unermesslich große Raumbereiche getrennt, die immer noch eine Inflation durchlaufen. Das ist paradoxerweise sogar dann der Fall, wenn die Blasen von „innen“ betrachtet unendlich groß sind – eine Konsequenz der Relativität der Koordinatensysteme und der Endlichkeit der Lichtgeschwindigkeit.

Unaufhörlich Neue Welten

Wenn das stimmt, hört die Inflation als Ganzes wohl nie auf, sondern setzt sich ewig fort. Zwar entstehen früher oder später an jeder Stelle der inflationierenden Raumzeit neue Blasen-Universen, die nicht mehr exponentiell wachsen. Aber ihr Volumen ist verschwindend gering im Vergleich zu dem der rasant expandierenden Umgebung, die aus sich heraus gleichsam ständig neuen Nachschub an Kosmischer Inflation erzeugt.

„Es gab einen Anfang für jedes Universum im Multiversum, und die Inflation wird überall einmal zu Ende gehen. Aber es wird im Szenario der Ewigen Inflation kein Ende für die Entwicklung des Multiversums geben“, beschreibt Linde dieses kaum fassbare Modell. Es bedeutet, dass das Multiversum als Ganzes niemals verschwindet und sich sogar permanent selbst reproduziert. Somit mögen die einzelnen Blasen-Universen eines Tages in sich zusammenstürzen oder durch ihre Ausdehnung so leer und kalt werden, dass kein Leben mehr in ihnen möglich ist. Doch das inflationierende Multiversum hätte nie ein Ende.

Und es kommt noch extremer: Die Naturgesetze und -konstanten in den einzelnen Blasen könnten ganz verschieden sein. Denkbar ist sogar, dass die Zahl der Dimensionen variiert. Vielleicht werden somit alle physikalischen Bedingungen, die überhaupt möglich sind, irgendwo realisiert. Die meisten Blasen-Universen hätten dann vermutlich keine Sterne und Planeten.

Szenario II Die Stringlandschaft

Geradezu atemberaubend oder schockierend war eine von der Kosmischen Inflation unabhängige Entwicklung. Sie schlug 2003 bei Theoretischen Physikern wie eine Bombe ein. Die Schockwellen sind bis heute nicht verebbt (bild der wissenschaft 5/2013, „Streit unter Stringstrategen“). Gemeint ist der zerplatzte Traum einer eindeutigen „Weltformel“ im Rahmen der Stringtheorie. Diese beschreibt die Materie als Anregungsformen eindimensionaler „ Saiten“, der Strings, und kann alle Naturkräfte vereinheitlichen. Der Nachteil ist: Es funktioniert mathematisch nur, wenn man sechs oder sieben zusätzliche Raumdimensionen annimmt, die winzig klein sein müssen und „aufgerollt“ wie Strohhalme.

Zunächst bestand die Hoffnung, auf diese Weise eine rigorose Theorie der Quantengravitation und aller Elementarteilchen und Wechselwirkungen gefunden zu haben, die sogar die scheinbar willkürlichen Werte der Naturkonstanten festlegt – ein schon von Albert Einstein formuliertes Traumziel. Dann jedoch zeigte sich, dass es Myriaden von Möglichkeiten gibt, wie die Extradimensionen aufgerollt („kompaktifiziert“) sein könnten – diskutiert werden gigantische Zahlen zwischen 10100 und 101500.

Warum gibt es Stachelschweine?

Zwar könnte man immer noch behaupten, das Universum sei die einzige realisierte „Lösung“ der Theorie, doch es ist kein Grund in Sicht, warum es gerade so und nicht anders entstand. Warum sollte die Natur allein unsere Variante ins Dasein gebracht haben? Also ausgerechnet jene, die zu einem Universum führte, das im Gegensatz zu möglichen Alternativen fähig war, komplexe Strukturen zu entwickeln – etwa Sterne, Stachelschweine und Stringtheoretiker?

Ein weiteres Problem: Die Physiker fanden bislang kein Modell, das unser Universum auch nur halbwegs treffend beschreibt. Entweder stimmt das Spektrum der Elementarteilchen nicht, das aus den Melodien des Mikrokosmos entstehen muss – oder das Vakuum hat eine negative Energiedichte und kollabiert – oder es gibt keine vier unabhängigen Grundkräfte und so weiter.

Wenn die Theorie überhaupt den richtigen Weg weist, dann zeigt sie simultan in Abermilliarden verschiedene Richtungen. Jedem dieser vielleicht 10500 Stringvakuumzustände entspräche eine Sorte von Universum mit eigenen Naturkonstanten und -gesetzen. Dieses gigantische Multiversum hat Leonard Susskind von der kalifornischen Stanford University „Stringlandschaft“ genannt.

In diesem multidimensionalen Gelände können viele Blumen blühen. Daher sehen manche Forscher trotz der zahlreichen theoretischen Gewitterwolken auch Sonnenstrahlen – soll heißen: eine Verbindung zum Szenario der Kosmischen Inflation. Denn dessen Schlechtwettervorhersage besteht ja darin, dass bislang eine gute Erklärung für die Natur des Inflatonfelds fehlt – oder was immer den Treibsatz der Raumexplosion geliefert hat.

Zwei Probleme als eine Lösung

Manche Forscher hoffen nun, dass sich die Probleme gegenseitig kurieren können. Denn in den Zusatzdimensionen könnte so viel Energie stecken, dass sie einst die Inflation angetrieben hat, lauten einige neue Spekulationen. „Inflation und Stringtheorie sind wie füreinander gemacht“, meint Cliff Burgess vom Perimeter-Institut im kanadischen Waterloo. „Inflation ist ein Phänomen auf der Suche nach einer Theorie – und die Stringtheorie eine Theorie auf der Suche nach einem Phänomen.“

Aus dieser Not haben Burgess und andere Kosmologen inzwischen eine Tugend gemacht – in Form von Stringtheorie-Modellen der Kosmischen Inflation. Die Konsequenz ist quasi eine Quadratur des Multiversums: Wenn irgendwo in der Stringlandschaft die Ewige Inflation starten konnte, ist sie nicht mehr zu stoppen. Mit jedem neuen Blasenuniversum kann ein anderer Teil der Landschaft erreicht werden, sodass alle Stringvakuumzustände „bevölkert“ werden, wie die Kosmologen sagen. Kurzum: Alle 10500 verschiedenen Universen müsste es tatsächlich geben – und zwar unendlich oft.

Selbst Andrei Linde von der Stanford University, einer der Vorreiter und streitlustigsten Vertreter dieses Ansatzes, räumt ein, dass die mathematischen Gleichungen zur Stringinflation „ bislang noch extrem hässliche Modelle“ sind – sie wirken sehr künstlich. Aber er sieht die Entwicklung auch positiv: „Ewige Inflation und Stringtheorie haben in der Stringlandschaft zusammengefunden. Das Weltbild, das sich daraus ergibt, hat unsere Sicht auf unseren Platz im All verändert. Das ist einer der aufregendsten und geheimnisvollsten Aspekte der modernen Wissenschaft.“

Szenario III Das wabernde Quantenvakuum

Nicht nur die Kosmische Inflation könnte die Stringlandschaft bevölkern, sondern das könnte auch durch Quanteneffekte geschehen. Das haben Alexander Vilenkin und Jun Zhang von der Tufts University mit Jaume Garriga von der Universität Barcelona vor Kurzem gezeigt. Verschiedene Ansätze zu einer Theorie der Quantengravitation legen nahe, dass der Kollaps eines Universums nicht in eine Singularität mündet. Stattdessen „federt“ die stark gekrümmte Raumzeit gleichsam zurück. Ein solcher „Big Bounce“ („ Starker Rückprall“) führt dann zu einer neuen Expansion – und mithin zu einem neuen Universum.

Das wäre bei allen Universen mit negativer Energiedichte (Kosmologischer Konstante) oder überkritischer Materiedichte der Fall. „Übergänge zwischen den Vakua können durch Quantentunneleffekte geschehen. Als Ergebnis wird die gesamte Landschaft der Vakua erkundet“, schreiben die Kosmologen. „ Verläuft der Kollaps inhomogen, kommt es zu einer Fragmentierung des ursprünglichen Universums, und es werden verschiedene Vakua erreicht.“

Auch Schwarze Löcher könnten Keimzellen neuer Universen sein – gleichsam lokale Ausknospungen, wie man sie von Hefezellen kennt, die sich von einer Mutterzelle abnabeln. So tunneln die vielen Blasenuniversen durch die Vakua, als würden Myriaden von Bällen in der Landschaft umherspringen und immer mehr werden. Nur Universen ohne Schwarze Löcher sowie solche mit einer Energiedichte größer oder gleich Null und keiner oder wenig Materie wären „Sackgassen“ in diesem kosmischen Irrgarten.

blubberblasen im schaumbad

Die Entstehung neuer Universen durch Quanteneffekte ist nicht auf die Stringtheorie angewiesen. Auch andere Ansätze zu einer Theorie der Quantengravitation lassen im Schaumbad des Quantenvakuums ein Blasenuniversum nach dem anderen hervorblubbern. Das ist zwar genauso spekulativ wie die Stringlandschaft, doch es ist bemerkenswert, dass andere Forscher zu ähnlichen Schlussfolgerungen gekommen sind.

So hat Martin Bojowald von der Pennsylvania State University singularitätsfreie Bounce-Modelle im Rahmen der Schleifen-Quantengravitationstheorie gefunden (bild der wissenschaft 4/2004, „Der umgestülpte Urknall“). Inzwischen ergeben sich auch hier „multiversale“ Lösungen. Neue Blasenuniversen können sich aus einem Kollaps bilden wie Luftblasen in aufgehendem Kuchenteig. Sie „vergessen“ sogar ihre Herkunft, weil dabei keine physikalischen Informationen übertragen werden, meint Bojowald. Erstaunlicherweise passt sein Modell genau zu den „Instanton-Lösungen“, die Stephen Hawking seit Langem favorisiert, obwohl dessen quantengravitationstheoretische Grundlage viel weniger elaboriert ist.

Nicht alle Fluktuationsmodelle haben aber diese Eigenschaften. So meint Salvador Robles-Pérez von der Universität Bilbao, dass neue Universen doch Spuren von ihrer kosmischen Geburtsstätte in sich tragen oder gar quantenmechanisch miteinander verschränkt sind – eine Idee, die auch Laura Mersini von der University of North Carolina in Chapel Hill im Rahmen der Stringtheorie entwickelt hat (bild der wissenschaft 9/2008, „Das Loch“). Der Clou: Die Quantenverschränkungen könnten nachweisbare Spuren hinterlassen haben. Diese „gespenstischen Fernwirkungen“, die Albert Einstein erstmals 1935 beschrieben hat, werden seit vielen Jahren erzeugt, gemessen und manipuliert – allerdings nur zwischen Quantensystemen in den Physiklaboren unseres Universums. Wenn sie ihr geisterhaftes Unwesen auch zwischen Universen treiben sollten, die räumlich und kausal längst völlig voneinander getrennt sind, dann würden sie gleichsam Abdrücke in die benachbarten Parallelwelten einprägen, sogar auf astronomischer Skala. Das könnte sich in thermodynamischen Eigenschaften oder in der großräumigen Galaxiensuperhaufen-Verteilung niederschlagen.

Welche Probleme löst ein Multiversum?

Die Annahme anderer Universen ist einerseits eine Schlussfolgerung aus kosmologischen Theorien. Andererseits trägt sie dazu bei, bestimmte Eigenschaften unseres eigenen Universums besser oder überhaupt erst zu verstehen. So ist der Nobelpreisträger Frank Wilczek davon überzeugt: Es gibt sehr wohl Aspekte des Universums, die nur durch die „Multiversalität“ erklärt werden können. Einer ist die Viele-Welten-Interpretation der Quantenmechanik (siehe Kasten rechts „Viele Quantenwelten“). Auch der Wert bestimmter Naturkonstanten ist am besten verständlich, wenn unser Universum eines unter vielen ist, meint Wilczek. Dazu gehört der niedrige, jedoch positive Wert der Vakuumenergiedichte im Weltall.

Lange dachten Physiker, darunter auch Einstein, dass dieser Wert exakt Null sein muss. Andererseits suggerieren Abschätzungen im Rahmen von Quantengravitationstheorien einen Wert, der 1060 bis 10120 Mal höher ist als gemessen – der „größte Fehler der Theoretischen Physik“, wie der Nobelpreisträger Steven Weinberg sarkastisch anmerkt. Bei einer so enormen Energiedichte könnte man sich nicht einmal an die eigene Nase fassen: Der Raum zwischen Hand und Gesicht würde exponentiell expandieren. Allerdings dehnt sich das Weltall tatsächlich geringfügig beschleunigt aus, wie viele astronomische Messungen seit 1998 belegen – eine Entdeckung, die 2011 mit dem Physik-Nobelpreis ausgezeichnet wurde und am besten durch eine leicht positive Kosmologische Konstante erklärt werden kann.

Eine Bestätigte Vorhersage

Steven Weinberg und Alexander Vilenkin hatten dafür unter der Annahme eines Multiversums schon in den 1980er- und 1990er-Jahre argumentiert – also noch bevor diese beschleunigte Ausdehnung gemessen worden war. Ihre Begründung: Universen mit einer kleinen positiven Kosmologischen Konstante können mehr Galaxien hervorbringen als solche mit einer großen, mit keiner oder mit einer negativen (bild der wissenschaft 11/2007, „Die Apokalypse des Alex Vilenkin“). Doch ohne Galaxien gibt es keine Lebewesen beziehungsweise Astronomen, die das messen. Der Wert der Konstanten sei daher ein „Beobachter-Selektionseffekt“, über den man sich in einem Multiversum nicht zu wundern braucht – genau wie man nicht staunen muss, auf einem lebensfreundlichen Planeten wie der Erde zu existieren. Denn auf anderen, etwa Venus oder Pluto, ist es viel zu heiß oder zu kalt, um Leben hervorzubringen.

Das Anthropische Prinzip

Diese Argumentation wird Anthropisches Prinzip genannt (bild der wissenschaft 8/2006, „Ist uns das All auf den Leib geschneidert?“). Es ist zwar keine Erklärung, sondern eine Tautologie, doch sie macht verständlich, dass bestimmte Naturkonstanten nicht als „fein abgestimmt“ für das Leben betrachtet werden müssen oder als unerklärlicher Zufall. Vielmehr könnten unzählige Universen mit ganz unterschiedlichen Werten dieser physikalischen Parameter existieren, etwa der Kosmologischen Konstante, der Materiedichte und der von der Inflation aufgeblasenen Dichtefluktuationen. Doch wir brauchen uns nicht zu fragen, warum diese Werte uns gleichsam auf den Leib geschneidert erscheinen. Sie sind es nicht – in einer anderen kosmischen Garderobe würde es uns schlicht nicht geben.

Umgekehrt müssten auch Naturkonstanten existieren, die nicht „ fein abgestimmt“ anmuten – wenn sie nämlich die Wahrscheinlichkeit der Entstehung von Leben und Intelligenz nicht beeinflussen. Genau das ist für Wilczek ein weiteres Indiz für ein Multiversum: „Einige Parameter im Standardmodell der Elementarteilchen, zum Beispiel der Neutrinos, wurden nicht anthropisch selektiert.“ Wo also das Spiel des Zufalls nicht stört, kann es sich auch in einem lebensfreundlichen Universum entfalten.

Ist das noch Wissenschaft?

Wenn oder weil sich andere Universen nicht direkt beobachten lassen, sind die Hypothesen darüber trotzdem nicht zwangsläufig unwissenschaftlich. Es stimmt zwar: Gerade diese Widerlegbarkeit gilt als Gütesiegel wissenschaftlicher Hypothesen und Theorien. „ Insofern sich die Sätze einer Wissenschaft auf die Wirklichkeit beziehen, müssen sie falsifizierbar sein, und insofern sie nicht falsifizierbar sind, beziehen sie sich nicht auf die Wirklichkeit“ , schrieb der Philosoph Karl Popper 1932. Mit dieser Überzeugung, die er in seinem Buch „Logik der Forschung“ sorgfältig ausgearbeitet und begründet hat, prägte er nachhaltig das Verständnis von Wissenschaft als eine Sache der Bildung und Überprüfung widerlegbarer Hypothesen (Falsifikationismus). Er betrachtete das auch als Abgrenzungskriterium der Wissenschaft von Metaphysik, Logik sowie Mathematik einerseits und der Pseudowissenschaft andererseits.

Allerdings sind andere Universen keine wissenschaftlichen Gesetzes-Hypothesen – analog beispielsweise zu Galileis Fallgesetz. Spricht man vom Multiversum, so ist dies eine sogenannte hypothetische universelle Existenzaussage. Sie lässt sich im Gegensatz zu räumlich oder zeitlich lokalisierten Existenzsätzen aufgrund unseres eingeschränkten Zugangs zur Welt nicht falsifizieren. Aber sie muss verifizierbar sein.

Widerlegbarkeit ist nicht alles!

Ein Beispiel hierfür ist die Vorhersage, dass das chemische Element Hafnium (Ordnungszahl 72) existiert. Dirk Coster und George de Hevesy haben es 1922 in Kopenhagen mithilfe der Röntgenspektralanalyse im Mineral Zirkon entdeckt. Das geschah nicht zufällig, sondern nachdem ab 1869 Überlegungen des russischen Chemikers Dmitri Mendelejew zum Periodensystem der Elemente sowie später des dänischen Physikers Niels Bohr zur Atomtheorie das Element postuliert hatten. Dabei wurden manche seiner Eigenschaften korrekt vorausgesagt.

Allerdings ist die Verifizierbarkeit universeller Existenzsätze noch nicht hinreichend für ihre Wissenschaftlichkeit. Sonst wären beispielsweise auch fiktive Einhörner oder Gespenster ein Gegenstand wissenschaftlicher Betrachtungen. Ein weiteres Kriterium muss hinzukommen – die theoretische Einbettung: Universelle Existenzsätze sind dann wissenschaftlich, wenn sie sich verifizieren lassen und einen Platz im Rahmen einer wissenschaftlich anerkannten Theorie haben, insbesondere wenn sie von dieser vorausgesagt werden. Das hat schon Popper so gesehen.

Tatsächlich sind Aussagen über andere Universen keine isolierten universellen Existenzsätze, sondern werden von Theorien postuliert, die selber falsifizierbar sind oder sein müssen. „Das haben sich Kosmologen nicht in einem Höhenflug der Imagination erträumt. Wir sind darauf gestoßen, als wir Probleme zu lösen versuchten, hier in dem Universum, das wir beobachten“, sagt Sean Carroll vom California Institute of Technology. „Es ist ein Fehler, zu denken, das Multiversum sei eine Theorie, die von verzweifelten Physikern am Ende ihrer Vorstellungskraft erfunden wurde. Vielmehr wird das Multiversum von bestimmten Theorien vorhergesagt. Die Frage ist auch nicht, ob wir jemals dazu in der Lage sein werden, andere Universen zu sehen, sondern sie besteht darin, ob wir die Theorie überprüfen können, die impliziert, dass sie existieren.“

Die Kritik greift zu kurz

Daher greift als Kritik an der Multiversum-Hypothese auch der Positivismus zu kurz. Dieser Denkrichtung zufolge existiert nichts, was nicht beobachtet werden kann – oder es sei sinnlos, darüber Aussagen zu machen. Freilich hat diese These selbst keinen erfahrungswissenschaftlichen Gehalt und könnte deshalb mit ihren eigenen Waffen geschlagen und als sinnlos zurückgewiesen werden.

Außerdem gibt es zahlreiche Beispiele dafür, dass die Spekulation von heute das Wissen von morgen sein kann. So behauptete August Comte, der Mitbegründer des Positivismus – und der Soziologie – in seinem sechsbändigen „Cours de philosophie positive“, dass sich die Zusammensetzung der Sterne niemals herausfinden lassen würde. Er hätte auch sagen können: Aussagen dazu seien nicht falsifizierbar. Doch zwei Jahre nach seinem Tod, 1859, begründeten Robert Bunsen und Gustav Kirchhoff in Heidelberg die Spektralanalyse. Mittels der für jedes Element charakteristischen Spektrallinien kann die Zusammensetzung der Sonne und anderer Sterne sehr wohl bestimmt werden. Das Element Helium wurde sogar zunächst in der Sonne und erst später auf der Erde entdeckt.

Vielleicht werden sich Kosmologen in 10, 100 oder 1000 Jahren über die Wissenschaft Anfang des 21. Jahrhunderts wundern – und sich entweder fragen, warum sie so blind war und die Indizien für die Existenz anderer Universen nicht klarer gesehen hat, oder aber, weshalb sie so verrückt war, sich in solche Fantasien zu versteigen. Im Augenblick kann die Sache nicht entschieden werden. Auch deshalb ist es vernünftig und wichtig, die multiversalen Ideen so gut wie möglich auszuloten – eingedenk der Warnung, die Steven Weinberg 1977 ausgesprochen hat: „Unser Fehler ist nicht, dass wir unsere Theorien zu ernst nehmen, sondern dass wir sie nicht ernst genug nehmen.“ ■

RÜDIGER VAAS ist Astronomie- und Physik-Redakteur von bild der wissenschaft sowie Autor mehrerer Bücher über das Multiversum.

von Rüdiger Vaas

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Pe|li|kan  〈m. 1; Zool.〉 Angehöriger einer Familie großer Schwimmvögel mit langem Schnabel, der an der Unterseite einen Kehlsack hat: Pelicanidae [<mhd. pel(l)ican, pillecan ... mehr

Bei|bre|che  〈f. 19; Bgb.〉 außer den Haupterzen mit abgebaute Steine

Col|tan  〈n.; –s; unz.; Min.〉 ein Erz (auch Columbit–Tantalit od. Niobit–Tantalit genannt), das aus Columbrium u. Tantal besteht u. aus dem das selten vorkommende Metall Tantal gewonnen wird

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