Der Beitrag des Monats des TalkOrigins-Archivs: Mai 2001

Das ist wahr. In Vilenkins Tunneleffekt-Vorschlag — „Quantenschöpfung von Universen aus dem Nichts“ — bezieht sich das „Nichts“ nicht auf ein leeres Vakuumraumzeit, sondern auf einen Quantenzustand des Universums, in dem „Raum“ und „Zeit“ keine gut definierte Bedeutung haben (sie sind nur annähernde, klassische Konzepte).

Falls du interessiert bist, hier sind einige kurze Zusammenfassungen meines (begrenzten und voreingenommenen) Wissens und meiner Meinungen zu den wichtigsten Vorschlägen über den Ursprung des Universums, in keiner bestimmten Reihenfolge. Vorab sollte ich sagen, dass sie bei weitem alle im besten Fall halbklassische Näherungen zur vollständigen Quantengravitation sind; einige davon (wie die ewige Inflation) stammen aus der klassischen Gravitation. Ich sollte auch sagen, dass ich wahrscheinlich die meisten davon (insbesondere die Quantumkosmologie) durcheinanderbringen werde. :) (Wenn echte Experten wie Steve Carlip noch diese Gruppe lesen, möge er sich einschalten.)

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[1] QUANTUMKOSMLOGIE

Bei diesem Ansatz versuchen einige, den Bedarf zu umgehen, eine Theorie der Quantengravitation konstruieren zu müssen, indem sie Näherungen verwenden. In einer davon nehmen sie nicht die Gravitation in ihrer Gesamtheit und die Lösungen dieser Gleichungen, sondern nehmen einige sehr symmetrische klassische Lösungen – etwa die homogenen FLRW-Lösungen, die Kosmologen verwenden – und quantisieren _diese_, da sie nur endlich viele Freiheitsgrade haben, die quantisiert werden müssen (manchmal nur einen, wie den Radius des Universums). Das ist die „Mini-Superspace-Näherung“. Dann macht man weitere Sattelpunkt-Näherungen analog zur traditionellen WKB-Näherung in der Quantenmechanik. Siehe:

http://math.ucr.edu/home/baez/week6.html

Diese Annahmen sind gefährlich. Auf der einen Seite trifft man die sehr fragliche Annahme, dass man die Details darüber ignorieren kann, wie Gravitation quantisiert wird. Auf der anderen Seite, falls es eine gültige Näherung ist, könnte sie uns robuste Schlussfolgerungen über das frühe Universum ermöglichen, die unabhängig von den Details jeder ausgearbeiteten Quantengravitationstheorie gültig sein sollten.

Ich weiß nicht viel über den aktuellen Stand der Quantumkosmologie, aber ich bin auf diese Übersicht von Barvinsky gestoßen (die sich stärker auf technische und konzeptionelle Probleme als auf Vorhersagen konzentriert):

http://arXiv.org/abs/gr-qc/0101046

Eine konzeptionellere Einführung von Wiltshire ist:

http://arXiv.org/abs/gr-qc/0101003

Eines der Hauptprobleme der Wissenschaft ist nicht nur zu bestimmen, welche Physikgesetze gelten, sondern auch, wie die Anfangsbedingungen des Universums waren. In einem Urknall-Szenario hat die Raumzeit einen Rand — die Singularität — und da davor nichts ist, müssen wir Randdaten hinzufügen. Mit den Physikgesetzen können wir die Entwicklung des Universums vorhersagen, aber wenn wir nicht wissen, wie es begonnen hat, können wir die Lösung nur in die Zukunft fortführen. Gab es viele Anfangsbedingungen, die zu dem führen könnten, was wir heute sehen?

Die meisten führenden Ansätze der Quantumkosmologie beantworten überraschend, dass diese Fragen nicht unabhängig sind: Die Gesetze der Physik _geben vor_, welche Anfangsbedingungen gelten. Falls wahr, müssen wir uns nicht mit „warum das Universum so begann“ als separatem Problem beschäftigen, ebenso wenig wie mit „warum die Physikgesetze sind, wie sie sind“.

Quantumkosmologie enthält viele offene Fragen, aber zwei der bekanntesten Vorschläge innerhalb der Mini-Superspace-Näherung sind der Hartle-Hawking No-Boundary-Vorschlag und Vilenkins Tunneleffekt-Vorschlag. Das sind zwei sehr unterschiedliche Versuche, die Näherungen für die „Wellenfunktion des Universums“ zu lösen und die Entstehung des Universums zu verstehen. Ich werde sie getrennt besprechen.

Kürzlich bin ich auf Arbeiten gestoßen, die mich begeistern; Bojowald hat diese Näherung übernommen und auf einen der derzeit führenden Kandidaten für eine Theorie der Quantengravitation angewandt, die Schleifen-Quantengravitation. Die Schleifen-Quantengravitation ist neuer und weniger etabliert als die traditionellen Pfadintegral-Ansätze, die in der üblichen Quantumkosmologie genutzt werden, aber aus meiner Sicht ist sie derzeit der vielversprechendste Ansatz zur vollständigen allgemeinen Relativitätstheorie. (Die Stringtheorie ist der andere führende Kandidat zur Quantengravitation, modifiziert jedoch die allgemeine Relativität im klassischen Grenzfall.) Im Grunde denke ich, dass sie konkreter und weniger „hands-on“ ist als viele der älteren Rechnungen der Quantumkosmologie (obwohl die Theorie, auf der sie basiert, immer noch fehlerhaft sein könnte; darüber ist die Frage noch offen).

http://arXiv.org/abs/gr-qc/0102069 http://arXiv.org/abs/gr-qc/0104072 http://math.ucr.edu/home/baez/week167.html

Das erste Paper sagt voraus, dass es keine Urknall-Singularität gab und dass es vor dem Urknall einen Big Crunch eines vorherigen Universums gab. Die zweite Arbeit sagt voraus, dass die Lösung ebenfalls zu Anfangsbedingungen führt (auch wenn sie dies deutlich anders tut als die no-boundary- oder Tunneleffekt-Vorschläge). Die zweite Arbeit versucht außerdem zu begründen, warum diese Rechnung verlässlicher sein sollte als die NBP- und Tunneleffekt-Vorschläge. Sie schließt mit:

„Im Gegensatz zu allen anderen Vorschlägen für Randbedingungen in der Quantumkosmologie werden unsere _dynamischen Anfangsbedingungen_ nicht gewählt, um einer vorausgesetzten Intuition über die `Schöpfung` eines Universums zu entsprechen, sondern werden aus der Entwicklungsgleichung abgeleitet, die wiederum aus der Quanten-Geometrie abgeleitet wird, einem Kandidaten für eine vollständige Theorie der Quantengravitation. Daher liefert eine Gleichung sowohl das Dynamikgesetz als auch die Anfangsbedingungen ... So im Gegensatz zur klassischen Situation, in der eine Singularität zu Vorhersageunsicherheit führt, legt in der Quanten-Geometrie der Bereich der klassischen Singularität die Mehrdeutigkeiten in der Wellenfunktion eines Universums fest.“

Aber das ist alles noch sehr neu und vorläufig, und die Leute wissen noch nicht wirklich, ob entweder die Näherung oder die Theorie gültig sind.

[2] DER NO-BOUNDARY-VORSCHLAG

Der Hartle-Hawking No-Boundary-Vorschlag (http://prola.aps.org/abstract/PRD/v28/i12/p2960_1) versucht dieses ganze Problem zu umgehen, indem er den Rand beseitigt. Durch den Übergang von reeller zu imaginärer Zeit und damit von Lorentz’scher zu euklidischer Raumzeit — genauer gesagt, durch Arbeiten in einer Näherung, von der man annimmt, dass sie von euklidischen Raumzeiten dominiert wird — finden sie, dass sie eine Wellenfunktion formulieren können, die keinen Rand in der euklidischen Raumzeit hat. Die Singularität existiert nicht in der imaginären Zeitlösung, nur in der realen Zeit. (Wenigstens denke ich, dass sie in der realen Zeit noch existiert. Es ist wahrscheinlich korrekter zu sagen, dass die klassische Raumzeit – ähnlich wie im Vorschlag von Vilenkin – am Urknall keinen Sinn ergibt, sodass kein „Singularität“ im Sinne einer singulären Raumzeitgeometrie in der allgemeinen Relativitätstheorie vorliegt.)

Der Punkt ist, dass wir nicht mehr initiale Daten angeben müssen; die euklidische Lösung kann ohne sie bestimmt werden und dann werden die „Anfangsdaten“ in der realen Zeit daraus bestimmt – die Anfangsdaten in realer Zeit sind kein eigenständiges Etwas, das von Hand eingespeist werden muss, sondern Teil der Lösung. (Überhaupt passieren in imaginärer Zeit allerlei eigenartige Dinge; in gewissem Sinne sind der Urknall und der Big Crunch dasselbe.)

Zur Imaginärzeit zu greifen wirkt zunächst sehr seltsam, aber es gibt einen Präzedenzfall – Physiker tun dies in der Quantenfeldtheorie ständig, und es scheint notwendig, um die Berechnungen korrekt auszuführen. (Andernfalls sind die Integrale nicht wohldefiniert.) Auf der anderen Seite ist es mathematisch legitim, dies zu tun; der Osterwalder-Schrader-Rekonstruktionstheorem sagt, dass es möglich ist, all Ihre Rechnungen in der imaginären Zeit zu machen und dann die Antworten eindeutig in die reale Zeit zurückzutransportieren. Doch die Quantenfeldtheorie basiert auf flachen Hintergrundraumzeiten — nicht wie in der Gravitation.

Nun kann dieses Theorem auf Situationen mit gekrümmten, dynamischen Raumzeiten (erinnere an die allgemeine Relativität) ausgeweitet werden — siehe http://arXiv.org/abs/quant-ph/9904094 — aber es ist ziemlich heikel. Hawking war ein führender Verfechter der euklidischen Quantengravitation. Doch dieser Ansatz ist nach meinem Eindruck schrittweise aus der Gunst gefallen. Wenn ich mich richtig erinnere, deutete numerische Evidenz darauf hin, dass die Theorie einen Phasenübergang erster Ordnung statt des notwendigen Übergangs zweiter Ordnung zeigen würde, oder etwas Ähnliches.

Außerdem legen einige Spielzeugmodelle in zwei Dimensionen nahe, dass euklidische und lorentzsche Quantengravitation fundamental verschieden sind (http://arXiv.org/abs/hep-th/9912267). Interessanterweise liegt der Unterschied darin, dass die euklidische Theorie „Baby-Universen“ erlauben lässt, die abzweigen, während die Lorentz-Theorie dies nicht tut.) Das heißt nicht, dass die euklidische Theorie falsch ist, nur dass wir nicht so tun können, als würde die Wahl zwischen Lorentz und euklidisch keine Rolle spielen. Es ist außerdem interessant zu beachten, dass in diesen Modellen die Gegenwart dieser „Baby-Universen“ zu einem pathologischen Verhalten in der euklidischen Theorie führt, sodass sie von degenerierten „branched-polymer“-Geometrien dominiert wird, die die klassische Grenze stören (ich glaube, das ist im Wesentlichen der von mir genannte Phasenübergang).

(Tatsächlich gibt es eine beachtliche Menge Arbeit zu „Baby-Universen“, „dritter Quantisierung“ und „räumlicher Topologieänderung“, die für diese Liste von Alternativen wahrscheinlich relevant ist, aber ich weiß nicht viel darüber.)

Wie auch immer, aus welchem Grund auch immer wird die euklidische Quantengravitation nicht mehr so ernst genommen wie früher, sodass der NBP in einem anderen Licht erscheint. Sie kann jedoch innerhalb des halbklassischen Kontexts der Quantumkosmologie immer noch brauchbar sein. (Auch, wie oben gesagt, beseitigt Bojowalds Lorenztheorie auch die Notwendigkeit initialer Daten, wenn auch nicht in einer so exotischen Weise.)

Mehr zur Hartle-Hawking-Wellenfunktion:

http://math.ucr.edu/home/baez/week138.html

[3] DER TUNNELPROPOSAL

Vilenkins Vorschlag (http://prola.aps.org/abstract/PRD/v27/i12/p2848_1, http://prola.aps.org/abstract/PRD/v30/i2/p509_1) ist der Ursprung der Idee der „Quantenschöpfung von Universen aus dem Nichts“. (Nun, Tryon und Fomin und andere waren vor ihm da, fanden aber keinen dauerhaften Erfolg.) Er lässt das Universum in der Null-Phase aufsteigen, ähnlich wie gewöhnliches Quanten­tunneln durch ein Potential. Wie beim NBP und Bojowalds Schleifen-Quantumkosmologie eliminiert dieser Lösungsansatz die Notwendigkeit initialer Bedingungen, wenn auch nicht, indem er den Rand in imaginärer Zeit aufhebt. (Ich verstehe nicht genau, wie er das macht.) Er beseitigt ebenfalls eine Urknall-Singularität; der „Urknall“ ist ein Tunneling-Ereignis zur klassischen Raumzeit.

Ich weiß nicht viel darüber oder über den aktuellen Stand, aber Sie können Vilenkins eigenen (wahrscheinlich voreingenommenen) Vergleich mit anderen Vorschlägen (wie dem NBP) lesen unter:

http://arXiv.org/abs/gr-qc/9812027

(Er erwähnt auch eine Lösung von Linde, die dem Hartle-Hawking-NBP prinzipiell ähnelt, aber die euklidische Zeitdrehung andersherum ausführt.)

Zur Fairness hier ein Argument von Bousso und Hawking: http://arXiv.org/abs/gr-qc/9608009, und Garrigas und Vilenkins Erwiderung, http://arXiv.org/abs/gr-qc/9609067. Hawking und Vilenkin fachsimpeln an den Theorien des jeweils anderen herum (es gibt mehr Beispiele dafür als die, die ich nannte). Ich habe wirklich keine Grundlage, um auf dieser Frage zu sagen, wer recht hat.

Ich verstehe nicht recht, wie Vilenkins Modell zu den euklidischen Quantengravitationsproblemen steht, die ich oben hinsichtlich des NBP erwähnt habe. Vilenkin betont, dass im Gegensatz zu seinem eigenen Vorschlag der NBP eine Pfadintegral-Summe über alle (kompakten) euklidischen Raumzeiten enthält. Vilenkin sagt: „... um die unter der Barriere liegende halbklassische Wellenfunktion zu finden, muss man analytisch zur Integration über euklidische ... fortsetzen; dann wird das Pfadintegral dominiert durch die euklidische Lösung der klassischen Feldgleichungen.“ Machen Sie daraus, was Sie wollen.

[4] EWIGE INFLATION

Dies nimmt einen durchaus anderen Ansatz zur Beschreibung der Ursprünge unseres Universums ein. Ich glaube, die Idee geht ursprünglich auf Linde zurück. In der Inflationstheorie kann das Universum aufgrund des „Zerfalls des falschen Vakuums“ sehr schnell mit Exponentialrate expandieren. Das erklärt einige Rätsel in der Standardkosmologie. Eine Implikation ist jedoch, dass dieser Zerfallsprozess zufällig, kontinuierlich und ewig auftreten muss. Er führt zu einem Bild eines „Ozeans“ sich ausdehnender „Blasen“ oder „Taschenaus“ von Universen aller Größen und Alter; wir leben in einer solchen Blase.

Beachte, dass dies sich von der echten „Baby-Universum“-Entstehung in der Quantengravitation unterscheidet, wo der Raum tatsächlich abspaltet und die Topologie wechselt; vielmehr ist in der ewigen Inflation unser vermeintliches „Universum“ nur ein „Blasen“bereich innerhalb des eigentlichen größeren Universums, mit anderen physikalischen Eigenschaften als dem umgebenden „Ozean“.

(Andererseits wurde auch darüber gesprochen, dass tatsächliche Baby-Universen innerhalb unserer „Blase“ entstehen und inflieren könnten, hinter Horizonten verborgen, doch dies ist eine weit weniger robuste Vorhersage — sie hängt davon ab, ob Quantengravitation Baby-Universenbildung erlaubt — und passiert vermutlich nicht spontan, selbst wenn es möglich wäre. Ich erwähne es am Rande; die Diskussion der ewigen Inflation ist davon unabhängig.)

Die Idee der ewigen Inflation ist ein zweischneidiges Schwert. Sie kann eine Beschreibung der Entstehung unseres Universums liefern — der „Urknall“ war nicht wirklich eine Singularität, sondern das Ereignis, bei dem das falsche Vakuum zufällig zerfiel und die Inflation einer neuen Blase in der Raumzeit erzeugte. Tatsächlich, wenn Inflation korrekt ist, ist ewige Inflation eine nahezu notwendige Konsequenz und wir müssen dieses Szenario ernst nehmen.

_Jedoch_ hat sie auch einen Nachteil: sie gibt keinerlei Erklärung für den Ursprung des tatsächlichen Universums, das all diese Blasen enthält. Man kann argumentieren, dass dies kein großer Nachteil ist, wenn das Ziel darin besteht, zu beschreiben, was wir beobachten, denn das Geschehen im größeren „Ozean“ ist für das, was in unserer Blase passiert, weitgehend irrelevant. Viele werden jedoch frustriert sein, weil sie nicht die ganze Geschichte erhält. Tatsächlich legt es nahe, dass wir die ganze Geschichte gar nicht kennen: die Inflation verwischt wahrscheinlich sämtliche Informationen vor der Blasenkeimbildung, so dass wir keine Beobachtungsbelege dafür haben können, wie der „Ozean“-Kosmos vor unserem Urknall-Ereignis war.

Das wäre ein ernsthafter Schlag für diejenigen, die an dem größeren „Ozean“-Universum und seiner Entstehung interessiert sind, doch es ist kein _vollständiger_ Verlust. Quantengravitation könnte vorhersagen, was in dieser Situation passiert. Das Problem ist, dass wir nie _beobachtbare Evidenz_ hätten, die diese Vorhersage stützt. Auf den ersten Blick klingt das fatal für eine wissenschaftliche Theorie, doch wie Guth argumentiert (in einem Paper, das ich unten zitiere),

„Die anderen Taschenaus-universen außer unserem eigenen gelten als völlig unbeobachtbar, sodass man in Frage stellen kann, ob es wissenschaftlich sinnvoll ist, über sie zu sprechen. Ich würde argumentieren, dass es legitime Wissenschaft ist, denn wir verfolgen die Konsequenzen einer Theorie, für die wir bereits andere Evidenz haben. Natürlich muss die Inflations- theorie auf der Evidenz beruhen, die wir beobachten, aber wenn wir durch diese Beobachtungen überzeugt sind, dann sollten wir auch die weiteren Implikationen glauben, selbst wenn sie Aussagen betreffen, die nicht direkt geprüft werden können.“

Kurz gesagt: Wenn wir andere Tests der Quantengravitation finden könnten, die uns ziemlich sicher machen, dass eine bestimmte Theorie korrekt ist, dann sollten wir geneigt sein zu glauben, was sie über das Geschehen im „Ozean“ sagen würde, auch wenn wir das Dortige nicht beobachten können. Dennoch ist das keine ideale Situation für die Wissenschaft. Aber die Wissenschaft hat nie behauptet, dass wir jemals experimentelle Beweise für alles haben könnten, was in unserem Universum passiert ist.

Es ist auch erwähnenswert, dass viele gehofft haben, ewige Inflation könnte die Notwendigkeit eines Anfangs eines Universums aufheben (was problematisch zu erklären wäre, wenn man nicht auf Dinge wie spontane Schöpfung durch Tunneln zurückgreift). Das Bild ist ein Universum, das immer existiert hat, mit neu entstehenden Blasen via Quanten­effekte von Zeit zu Zeit, und in dem wir in einer davon leben.

Borde und Vilenkin haben jedoch gezeigt, dass ewige Inflation eher „zukunfts- ewige Inflation“ heißen sollte, da es offenbar weiterhin eine Anfangssingularität bedarf — der „Ozean“ hatte eine echte Urknall-Singularität, obwohl _unser_ Urknall keine echte Singularität war. Andererseits ist das meines Erachtens kein besonders starkes Ergebnis, weil es ein klassisches Argument ist. (Ich glaube, man hoffte, dass die Inflationsfelder manche der _klassischen_ Singularitätsergebnisse in der allgemeinen Relativitätstheorie vermeiden würden — vermutlich durch Umgehung der Energiebedingungen —, doch das geschieht nicht.) Wir wissen nicht, ob Quantengravitation Singularitäten beseitigt. Guth scheint zu denken, dass das vermutlich nicht der Fall ist, aber ich glaube, die Lage ist weit weniger eindeutig, insbesondere vor dem Hintergrund von Vorarbeiten wie denen von Bojowald.

Alle diese Fragen werden in Guths vorzüglichem Überblicksvortrag zusammengefasst:

http://arXiv.org/abs/astro-ph/0101507

Wichtig ist hier zu beachten, dass ewige Inflation in fast jedem Szenario hätte auftreten können, unabhängig davon, welche Theorie der Quantengravitation korrekt ist oder ob Urknall-Singularitäten möglich sind usw. Sie ist weitgehend unabhängig von allen anderen von mir genannten Vorschlägen (obwohl es möglich ist, dass einige davon diese Art von Inflation ausschließen könnten).

[5] STRING/M-THEORIE-KOSMOLOGIE

Die Stringtheorie (und ihr „Nachfolger“, die M-Theorie) ist das, was viele als den führenden Kandidaten für eine echte Theorie der Quantengravitation ansehen würden. Ich glaube nicht, dass diese Theorie ein allgemein akzeptiertes Bild der Entstehung unseres Universums hat, obwohl ich sicher bin, dass es Millionen von Spekulationen gibt. (Die Stringtheorie ist sehr flexibel — ein Vorteil, weil sie sehr viel erklären kann, aber ein Fluch, weil sie zu viel erklären kann, es sei denn Daten und ein besseres Verständnis der Dynamik können die Möglichkeiten einschränken.) Banks diskutiert (http://arXiv.org/abs/hep-th/9911067) die M-Theorie- Quantumkosmologie, doch die Theorie scheint noch nicht weit genug ausgebaut zu sein, um Vorhersagen über den Ursprung des Universums zu machen. (Keiner weiß im Moment genau, was M-Theorie überhaupt ist.)

Einige ältere Vorhersagen der Stringtheorie (von Brandenberger und Vafa) sagen voraus, dass das Universum mit allen seinen Dimensionen zusammengerollt begann und dann drei davon sich entrollten und expandierten. Dies erklärt aber nicht wirklich den Urknall, sondern nur das, was danach passierte.

Hier ist eine Übersicht zur String-Kosmologie von Brandenberger:

http://arXiv.org/abs/hep-th/0103156

Der konkreteste (und vielleicht populärste, wenn auch heftig umstrittene) Vorschlag zur String-Kosmologie, den ich gesehen habe (wenn auch kaum die offizielle Position der String-Community — daher separat aufgeführt), der versucht, den Urknall zu erklären, ist die Prä-Big-Bang-Kosmologie. Es gibt außerdem die neuere ekpyrotische Kosmologie, aber sie ist so neu und spekulativ, dass niemand weiß, ob sie plausibel ist oder sich durchsetzen wird.

Brandenberger erwähnt auch andere alternative String-Kosmologien, wie die heterotische M-Theorie-Kosmologie (http://arXiv.org/abs/hep-th/0003256), Branengeaschen-Ansätze und Brane-World-Szenarien. Dazu werde ich nichts sagen, weil ich nie etwas darüber gelesen habe.

[6] PRÄ-BIG-BANG-SSTRINGKOSMOLOGIE

Dieses Szenario, von Veneziano und Gasperini vorgeschlagen, nimmt an, dass das Universum ursprünglich kalt, einfach und leer und flach war und sich natürlich in einen stark gekrümmten Zustand entwickelte, der in einen singularitätsfreien heißen „Urknall“ überging, der zu unserem heutigen Universum führte. (Das unterscheidet sich von der Quantenschöpfung von Universen, bei der Universen aus „Nichts“ oder dem Nullzustand entstehen; vielmehr beginnt ein zunächst flacher Vakuumzustand sich zu „winden“ und erzeugt aufgrund von Quanten­effekten Materie und schafft einen Urknall.)

Ich glaube, dieses Szenario besitzt ein ewig bestehendes Universum, das „für immer“ die Big-Bang-Transition erreicht, aber ich könnte die Dinge missverstehen. Es klingt seltsam, dass ein Universum unendlich lange braucht, bis plötzlich diese große Änderung (der Urknall) eintritt, aber es ist nicht ungewöhnlicher — und nicht weniger möglich — als eine Zeitumkehr eines Universums, das einen großen Übergang (den Urknall) erlebt und dann ewig expandiert. Du hast eine unendliche Vergangenheit, etwas geschieht an einem Punkt, und du hast eine unendliche Zukunft (oder nicht). Je weiter man in die Vergangenheit zurückgeht, desto leerer und flacher sieht das Universum aus; je weiter man in die Zukunft geht, desto mehr ähnelt das Universum der klassischen Vorhersage des Schicksals unseres Universums (möglicherweise ewige Expansion, aber vielleicht Kollaps).

Ich glaube, es gibt einige phänomenologische Probleme mit dem PBB-Szenario (kann es die Beobachtungen korrekt erklären?); ob sie lösbar sind, ist derzeit unbekannt. Auch wurde die Bedingung der „asymptotischen Vergangenheitstrivialität“ (mit anderen Worten: Das Universum wird flacher und einfacher, je weiter man in der Zeit zurückgeht, vor dem Urknall) kritisiert. Sie ist vermutlich die einfachste Annahme, aber das heißt nicht, dass sie tatsächlich eingetreten ist — es bleibt eine Annahme.

Das PBB-Szenario ist jedoch wahrscheinlich eines der konservativsten Ansätze der String-Kosmologie mit den minimalsten Annahmen.

Einige Referenzen:

http://www.to.infn.it/~gasperin/ http://arXiv.org/abs/hep-th/0002094

(Übrigens, ignorieren Sie bitte die üblichen selbstbeweihräuchernden Behauptungen der Stringtheorie in diesem Papier, wonach „die einzige Kandidatentheorie für eine konsistente Vereinigung der allgemeinen Relativität (GR) und der Quantenmechanik (QM) die Superstringtheorie“ sei — viele, wenn nicht die meisten Stringtheoretiker haben ein provinzielles und veraltetes Bild vom Stand der Quantengravitation. Es gibt sicherlich andere Kandidaten, die vielversprechend erscheinen — etwa die Schleifen-Quantengravitation — auch wenn noch offen ist, welcher Ansatz genauer ist.)

[7] VERSCHIEDENES

Es gibt viele Ideen da draußen! Ich habe nur einige der bekannteren genannt (oder zumindest die, von denen ich gehört habe). Hier sind ein paar weitere spekulative.

[7a] Kosmologische natürliche Selektion.

Smolin hat vorgeschlagen (http://arXiv.org/abs/gr-qc/9404011; _The Life of the Cosmos_) die „kosmologische natürliche Selektion“, in der Urknälle Ergebnis von Universen sind, die aus der Entstehung von Singularitäten schwarzer Löcher in vorherigen „Universen“ resultieren.

Dieser Vorschlag hat derzeit keine echte theoretische Grundlage — er ist fast reine Spekulation — aber er ist eine interessante Art, das anthropische Prinzip zu umgehen. Warum sind die fundamentalen Konstanten des Universums so wie sie sind? Smolin schlägt vor, dass sie sich mit der Zeit entwickeln, und wenn Universen Produkte schwarzer Löcher sind, sollten sie sich derart entwickeln, dass viele schwarze Löcher entstehen — und damit möglicherweise Sterne und Leben.

Selbst wenn diese konkrete Idee falsch ist, kann die Idee der dynamischen „Selbstorganisation“ in anderen Theorien fortbestehen — etwa der Stringtheorie — um zu erklären, wie das Universum so geworden ist, wie es ist, selbst wenn wir wenig wissen darüber, wie (oder ob) das Universum begonnen hat.

Anderer Themenwechsel: sehr kürzlich ist ein neuer Vorschlag aufgetaucht, die „ekpyrotische Kosmologie“ (http://arXiv.org/abs/hep-th/0103239), inspiriert vom Randall-Sundrum-„Brane-World“-Bild (http://arXiv.org/abs/hep-th/9810155, http://arXiv.org/abs/hep-ph/9905221, http://arXiv.org/abs/hep-th/9906064) — oder besser gesagt seiner späteren Einbindung in die heterotische M-Theorie durch Horava und Witten (http://arXiv.org/abs/hep-th/9510209, http://arXiv.org/abs/hep-th/9603142, http://arXiv.org/abs/hep-th/9711197, http://arXiv.org/abs/hep-th/9803235).

Im R-S-Bild ist unser 4-dimensionales Universum eine „Brane“ (oder Oberfläche), die in einer höherdimensionalen Raumzeit lebt. (Eher: Alle Materie und Eichfelds sind auf dieser Brane gebunden; das Einzige, was die Brane verlassen kann, ist die Gravitation. Das ist natürlich in der D-Brane-Physik der Stringtheorie.) Das unterscheidet sich von der traditionellen Stringtheorie, in der wir nicht auf irgendeine niedrigdimensionale Fläche der höherdimensionalen Raumzeit beschränkt sind — unser Universum erscheint 4D nicht, weil wir auf einer 4D-Untermannschicht sitzen, sondern weil einige räumliche Dimensionen „klein zusammengerollt“ sind (kompaktifiziert). Ich werde nicht auf das Horava-Witten-Bild eingehen, auf dem das ekpyrotische Szenario direkt basiert, da ich es nicht verstehe.

Brane-Welten sind eine Alternative zur Kompaktifizierung, um zu erklären, warum wir nur vier Dimensionen sehen. Aber es sollte angemerkt werden, dass Brane-Welten problemlos in die Stringtheorie eingehen können (wo der Großteil der Brane-World-Arbeit stattfindet); man nimmt einfach an, dass weniger Dimensionen kompaktifiziert sind, und dass R-S/H-W dazu herangezogen wird, um zu erklären, warum wir die anderen nicht kompaktifizierten Dimensionen nicht sehen.

In der ekpyrotischen Kosmologie ist die Raumzeit (die kompaktierten Dimensionen ausgenommen) fünfdimensional und an zwei Enden durch ein Paar flacher vier-dimensionaler Branes begrenzt. Was wir als unser Universum wahrnehmen, ist eine dieser Branes; die andere ist „versteckt“, da außer gravitativen Effekten zwischen den Branes nichts reisen kann, so dass wir sie nicht direkt sehen können. (Dies führte zu einigen Diskussionen über „Schattenuniversen“ in den Medien.) Diese versteckte Brane ist standardmäßig in den R-S-Modellen; sie wird genutzt, um das Hierarchieproblem und andere Fragen zu lösen.

Die ekpyrotische Theorie führt eine dritte vierdimensionale Brane ein — meiner Ansicht nach für die Einfachheit; es könnten aber mehr sein — zwischen den Grenz- Branen, die sich im „Bulk“ bewegen kann (im vollen fünf­dimensionalen Raumzeitraum). (Alternativ könnte man vielleicht ohne sie auskommen; es ist möglich, dass eine Bulk-Brane vom versteckten Brane „abplatzt“.) Schließlich prallt sie mit unserer Brane zusammen, verschmilzt mit ihr und löst aus (was wir in unserem Universum als) einen „Urknall“.

Für mich klingt das ekpyrotische Szenario etwas künstlich — wir wissen nicht, dass unser Universum so aussehen sollte; nichts in der Stringtheorie legt nahe, dass diese Anfangsbedingung wahrscheinlich sei. (Wenn es _doch_ so aussehen sollte, kann das beschriebene Szenario passieren, falls die Stringtheorie korrekt ist.) Im Moment ist es wirklich nur ein „Machbarkeitsbeweis“ und versucht zu zeigen, dass andere Alternativen möglich sind.

Außerdem behauptet ein Paper, das nicht lange nach diesem ursprünglichen Vorschlag erschien (http://arXiv.org/abs/hep-th/0104073), dass das ekpyrotische Szenario schwere Feinabstimmungsprobleme hat. Es könnte also nur eine von zahlreichen kurzlebigen cleveren Ideen sein, die nur deshalb interessant erscheint, weil noch keine Zeit für ihre vollständige Widerlegung vorhanden war.

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Zusammenfassend: die meisten Vorschläge zur Entstehung des Universums beseitigen entweder die Urknall-Singularität als „Ursprung des Universums“ oder machen sie irrelevant. Allgemein gilt: entweder gab es etwas vor dem Universum und (aus dem einen oder dem anderen Grund) begannen Quantengravitationseffekte zu dominieren und erzeugten einen „Urknall“, und/oder Quanten­effekte beim „Urknall“ führen dazu, dass der Ausdruck „vor dem Urknall“ eigentlich keinen Sinn ergibt (er setzt klassische Vorstellungen von Raum und Zeit voraus); oder möglicherweise gab es etwas vor dem Urknall und die reinen Raumzeit-Effekte der reinen Quantengravitation waren nicht für den Urknall verantwortlich; es könnte ein Inflationsereignis oder eine Branenkollision gewesen sein, und das, was im Universum davor geschah, könnte für Vorhersagen über das beobachtbare Universum keine Relevanz haben.

Die Vorschläge variieren in ihrer Nutzung von Kenntnissen der Quantengravitation: von Inflation (wenig bis gar nicht) über die standardmäßige Quantumkosmologie (ein wenig) zu der Schleifen-Quantumkosmologie (viel) bis zur Stringtheorie (es hängt davon ab, wo man die Grenze zwischen „Quantengravitation“ und „alles andere“ in einer vereinheitlichten Feldtheorie zieht; ich würde von „etwas“ bis „viel“ sagen). Ich würde sagen, dass wir über die Ursprünge des „eigentlichen“ Universums nichts endgültig sagen können — gemeint sind Modelle, in denen unser Universum nur ein Ausschnitt von etwas anderem ist, ebenso wie solche, in denen es die ganze Sache ist — ohne eine solide Theorie der Quantengravitation, obwohl dies für das „beobachtbare Universum“ und das, was wir als „Urknall“ wahrnehmen, nicht unbedingt nötig ist.

Viele dieser Vorschläge wirken ziemlich exotisch, doch das ist nicht überraschend; wenn man Quantenunsicherheit mit Vorstellungen von Raum, Zeit und Kausalität mischt, sind hochgradig kontraintuitive Dinge wahrscheinlich. Es ist zu beachten, dass die meisten nicht ad-hoc „ausgedacht“ wurden, um die Eigenschaften zu haben, die sie haben (wie das Wegfallen der Notwendigkeit initialer Daten oder das Verschwinden der Singularität oder was auch immer) — sie sind Folgen natürlicher und oft konservativer Erweiterungen der bekannten Physik (wenn auch oft in unsicheren Näherungen).

Es sollte aber auch vermerkt werden, dass eine recht gute Chance besteht, dass direkte beobachtbare Belege dafür, was – falls überhaupt etwas – vor dem Urknall geschah, entweder extrem schwierig oder grundsätzlich unmöglich zu gewinnen sein werden — zumindest nicht in der nahen Zukunft. (Indirekte Hinweise können kommen, aber ich erwarte keine direkten Belege.)

Nun zu etwas, das nicht direkt Physik ist und für talk.origins relevant ist — ich bin sicher, dass Theisten darauf warten zu springen, um auf ein „Scheitern der Wissenschaft“ hinzuweisen, also sage ich nur:

(1) Wie Guth sehe ich nicht als Scheitern der Wissenschaft, dass wir etwas nicht beobachten können, solange wir vorhersagen können, dass wir dieses Etwas nicht beobachten sollten, und solange unsere Theorien andere getestete Vorhersagen haben. Es besteht in der Wissenschaft oder der Natur keine Anforderung, dass menschliche Experimente fähig sein müssen, alles über das Universum aufzudecken, oder dass menschliche Geister überhaupt in der Lage sind, die Physikgesetze zu begreifen, oder sie zu finden, selbst wenn sie verstehbar sind. (Das impliziert auch nicht, dass Religion _das_ bieten kann.) Wenn wir das Universum verstehen und Beweise über seine Herkunft erhalten können, könnte es einfach Glück sein, dass wir in einem Universum leben, dessen Gesetze das zulassen.

(2) Es ist eine falsche Dichotomie zu denken, dass wenn eine gegebene wissenschaftliche Theorie etwas nicht erklären kann oder nicht überprüfbar ist, dann impliziert das, dass eine theistische Erklärung wahrscheinlicher ist. Die Standardannahme ist nicht „wenn die Wissenschaft es nicht erklären kann, erklärt es [Religion einfügen]“. Die Standardannahme ist „wir wissen nicht, wie es geschah“, und man muss Beweise *für* etwas vorlegen (hoffentlich, aber nicht zwingend auch *gegen* konkurrierende Alternativen), damit es Gewicht hat.

Beispiel: ein Blick auf die Geschichte zeigt zahllose ungeklärte Dinge, für die ursprünglich theistische Lösungen vorgeschlagen wurden, etwa das Wetter, den Ursprung des Lebens, die Entstehung der Erde, die Natur astronomischer Objekte und „des Firmaments“ usw. Theistische Erklärungen haben sich letztlich als keine dauerhaften Erklärungen beobachteter Phänomene erwiesen, selbst wenn es keine konkurrierende Erklärung (wissenschaftlich oder sonstige) für Hunderte oder Tausende von Jahren gab. Die meisten wurden durch wissenschaftliche Erklärungen ersetzt, und selbst wenn nicht alle ersetzt wurden, bedeutet das nicht, dass die verbleibenden theistischen Erklärungen wahrscheinlich richtig sind.

Das hängt mit einem häufigen creationistischen Missverständnis zusammen, dass die „gottlosen Evolutionisten“ an ihren Theorien festhalten, um irgendeinem „Gott“ zu entgehen. Abgesehen davon, dass die meisten „Evolutionisten“ (und möglicherweise die meisten Kosmologen) wahrscheinlich Christen sind, denke ich, dass die meisten Atheisten sagen würden, dass ihre wissenschaftlichen Überzeugungen unabhängig von ihren religiösen sind.

Das heißt, selbst wenn jede bekannte wissenschaftliche Theorie morgen plötzlich widerlegt würde, würde das nicht bedeuten, dass atheistische Wissenschaftler plötzlich religiös würden werden, weil ihr Atheismus mit einem *Mangel* an spezifischer Evidenz für theistische Erklärungen zu tun hat und nicht mit der *Präsenz* einer konkurrierenden wissenschaftlichen Erklärung; die Widerlegung einer wissenschaftlichen Erklärung erzeugt nicht plötzlich neue Evidenz zugunsten einer theistischen Erklärung. Bei Fehlen von wissenschaftlicher oder theistischer Evidenz würde der Atheist zur Standardannahme zurückkehren: „Ich weiß es nicht“, statt zu einer theistischen Erklärung zu wechseln. Es würde neue Evidenz speziell zugunsten einer theistischen Erklärung erfordern — und einer konkreten, vorhersagefähigen Erklärung, nicht eines generischen „die Götter schufen das Universum“ — um das zu tun.