Philosophen debattieren seit Tausenden von Jahren über die Natur des „Nichts“, aber was hat die moderne Wissenschaft dazu zu sagen? In einem Interview mit The Conversation erklärt Martin Rees, Astronomer Royal und emeritierter Professor für Kosmologie und Astrophysik an der Universität Cambridge, dass Physiker, wenn sie von Nichts sprechen, den leeren Raum (Vakuum) meinen. Das mag einfach klingen, aber Experimente zeigen, dass der leere Raum nicht wirklich leer ist – in ihm schlummert eine geheimnisvolle Energie, die uns etwas über das Schicksal des Universums sagen kann.

Rees wurde für den Anthill-Podcast von The Conversation zum Thema Nichts interviewt. Dieses Q&A basiert auf einem bearbeiteten Transkript dieses Interviews.

Q: Ist leerer Raum wirklich dasselbe wie Nichts?

A: Leerer Raum scheint für uns nichts zu sein. In Analogie dazu mag Wasser einem Fisch als nichts erscheinen – es ist das, was übrig bleibt, wenn man alle anderen Dinge, die im Meer schwimmen, wegnimmt. Ebenso wird angenommen, dass der leere Raum ziemlich kompliziert ist.

Wir wissen, dass das Universum sehr leer ist. Die durchschnittliche Dichte des Raums beträgt etwa ein Atom auf zehn Kubikmeter – das ist weitaus verdünnter als jedes Vakuum, das wir auf der Erde erreichen können. Aber selbst wenn man alle Materie wegnimmt, besitzt der Raum eine gewisse Elastizität, die es (wie kürzlich bestätigt wurde) ermöglicht, dass sich Gravitationswellen – Wellen im Raum selbst – durch ihn ausbreiten können. Außerdem haben wir gelernt, dass es im leeren Raum selbst eine exotische Art von Energie gibt.

Q: Wir haben von dieser Vakuumenergie zum ersten Mal im 20. Jahrhundert mit dem Aufkommen der Quantenmechanik erfahren, die die winzige Welt der Atome und Teilchen regelt. Sie geht davon aus, dass der leere Raum aus einem Feld fluktuierender Hintergrundenergie besteht, die Wellen und virtuelle Teilchen hervorbringt, die in die Existenz hinein- und wieder herausspringen. Sie können sogar eine winzige Kraft erzeugen. Aber was ist mit dem leeren Raum in großem Maßstab?

A: Die Tatsache, dass der leere Raum eine Kraft in großem Maßstab ausübt, wurde vor 20 Jahren entdeckt. Astronomen stellten fest, dass sich die Expansion des Universums beschleunigt. Das war eine Überraschung. Die Expansion war seit mehr als 50 Jahren bekannt, aber alle hatten erwartet, dass sie sich aufgrund der Anziehungskraft, die Galaxien und andere Strukturen aufeinander ausüben, verlangsamen würde. Es war daher eine große Überraschung, als man feststellte, dass diese Verlangsamung durch die Schwerkraft von etwas überwältigt wurde, das die Expansion „antreibt“. Es gibt sozusagen eine latente Energie im leeren Raum selbst, die eine Art Abstoßung bewirkt, die die Anziehungskraft der Schwerkraft auf diesen großen Skalen überwiegt. Dieses Phänomen – die so genannte dunkle Energie – ist der dramatischste Beweis dafür, dass der leere Raum nicht strukturlos und irrelevant ist. Vielmehr bestimmt es das langfristige Schicksal unseres Universums.

Q: Aber gibt es eine Grenze für das, was wir wissen können? Auf einer Skala, die eine Billion Billionen Mal kleiner ist als ein Atom, können Quantenfluktuationen in der Raumzeit nicht nur virtuelle Teilchen, sondern auch virtuelle schwarze Löcher hervorbringen. Das ist ein Bereich, den wir nicht beobachten können und in dem wir die Theorien der Schwerkraft mit der Quantenmechanik kombinieren müssen, um zu untersuchen, was theoretisch passiert – was bekanntermaßen schwierig ist.

A: Es gibt mehrere Theorien, die darauf abzielen, dies zu verstehen, die bekannteste ist die Stringtheorie. Aber keine dieser Theorien hat sich bisher mit der realen Welt auseinandergesetzt – sie sind also noch ungetestete Spekulationen. Aber ich denke, fast jeder akzeptiert, dass der Raum selbst eine komplizierte Struktur auf dieser winzigen, winzigen Skala haben könnte, wo Gravitations- und Quanteneffekte aufeinander treffen.

Wir wissen, dass unser Universum drei Raumdimensionen hat: Man kann nach links und rechts, vorwärts und rückwärts, hoch und runter gehen. Die Zeit ist wie eine vierte Dimension. Aber es ist eine starke Vermutung, dass, wenn man einen kleinen Punkt im Raum vergrößert, so dass man diesen winzigen, winzigen Maßstab untersucht … man feststellen würde, dass es ein eng gewickeltes Origami in etwa fünf zusätzlichen Dimensionen ist, die wir nicht sehen. Es ist in etwa so, wie wenn man einen Schlauch aus der Ferne betrachtet und denkt, er sei nur eine Linie. Aber wenn man genauer hinsieht, erkennt man, dass eine Dimension in Wirklichkeit drei Dimensionen hat. Die Stringtheorie beinhaltet komplexe Mathematik – genau wie die konkurrierenden Theorien. Aber das ist die Art von Theorie, die wir brauchen, wenn wir auf der tiefsten Ebene das verstehen wollen, was dem Nichts am nächsten kommt, das wir uns vorstellen können: den leeren Raum.

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Q: Wie können wir mit unserem derzeitigen Verständnis erklären, dass sich unser gesamtes Universum aus dem Nichts entwickelt hat? Könnte es wirklich nur aus einem Stück fluktuierender Vakuumenergie entstanden sein?

A: Irgendein mysteriöser Übergang oder eine Fluktuation könnte plötzlich einen Teil des Raums dazu gebracht haben, sich auszudehnen – zumindest glauben das einige Theoretiker. Die der Quantentheorie innewohnenden Fluktuationen wären in der Lage, das gesamte Universum zu erschüttern, wenn es auf eine hinreichend kleine Skala zusammengedrückt würde. Das würde bei einer Zeit von etwa 10-44 Sekunden geschehen – der so genannten Planck-Zeit. Das ist ein Maßstab, bei dem Zeit und Raum so miteinander verwoben sind, dass die Vorstellung einer tickenden Uhr keinen Sinn mehr ergibt. Wir können unser Universum mit großer Sicherheit bis auf eine Nanosekunde und mit einiger Sicherheit noch viel näher an die Planck-Zeit zurück extrapolieren. Aber danach ist alles aus, weil … die Physik in diesem Maßstab durch eine große, kompliziertere Theorie ersetzt werden muss.

Q: Wenn es möglich ist, dass eine Fluktuation in einem zufälligen Teil des leeren Raums das Universum hervorgebracht hat, warum könnte dann nicht genau dasselbe in einem anderen Teil des leeren Raums passieren – und parallele Universen in einem unendlichen Multiversum entstehen?

A: Die Idee, dass unser Urknall nicht der einzige ist und dass das, was wir mit unseren Teleskopen sehen, nur ein winziger Bruchteil der physikalischen Realität ist, ist bei vielen Physikern beliebt. Und es gibt viele Versionen eines zyklischen Universums. Erst vor 50 Jahren gab es erstmals eindeutige Beweise für einen Urknall. Doch seither wird darüber spekuliert, ob es sich nur um eine Episode in einem zyklischen Universum handelt. Und das Konzept, dass die physikalische Realität weit mehr umfasst als das Volumen von Raum und Zeit, das wir – selbst mit den leistungsfähigsten Teleskopen – erforschen können, findet immer mehr Zuspruch.

Wir wissen also nicht, ob es einen Urknall oder viele gab – es gibt Szenarien, die viele Urknalle vorhersagen, und einige, die einen vorhersagen. Ich denke, wir sollten sie alle erforschen.

Q: Wie wird das Universum enden?

A: Die einfachste Langfristprognose sagt voraus, dass das Universum immer schneller expandiert, immer leerer und immer kälter wird. Die Teilchen darin können zerfallen, wodurch die Verdünnung unendlich fortschreitet. Am Ende hätten wir in gewissem Sinne ein riesiges Raumvolumen, das aber noch leerer wäre als der heutige Raum. Das ist ein Szenario, aber es gibt auch andere, bei denen sich die „Richtung“ der dunklen Energie von Abstoßung zu Anziehung umkehrt, so dass es zu einem Kollaps kommt, dem so genannten „Big Crunch“, wenn die Dichte wieder ins Unendliche geht.

Es gibt auch eine Idee, die auf den Physiker Roger Penrose zurückgeht, dass sich das Universum immer weiter ausdehnt und immer mehr verdünnt, aber irgendwie – wenn es außer den Photonen, den Lichtteilchen, nichts mehr enthält – können die Dinge „neu skaliert“ werden, so dass nach dieser enormen Verdünnung der Raum gewissermaßen zum Generator eines neuen Urknalls wird. Das ist also eine ziemlich exotische Version des alten zyklischen Universums – aber bitten Sie mich bitte nicht, Penroses Ideen zu erklären.

Q: Wie zuversichtlich sind Sie, dass die Wissenschaft letztendlich knacken kann, was das Nichts ist? Selbst wenn wir beweisen könnten, dass unser Universum aus einer seltsamen Fluktuation eines Vakuumfeldes entstanden ist, müssen wir uns nicht fragen, woher dieses Vakuumfeld kam?

A: Die Wissenschaft versucht, Fragen zu beantworten, aber jedes Mal, wenn wir sie beantworten, kommen neue ins Blickfeld – wir werden nie ein vollständiges Bild haben. Als ich in den späten 1960er Jahren mit der Forschung begann, war es umstritten, ob es überhaupt einen Urknall gegeben hat. Heute ist das nicht mehr umstritten, und wir können mit einer Genauigkeit von etwa 2 % sagen, wie das Universum von den heutigen 13,8 Milliarden Jahren bis auf eine Nanosekunde genau aussah. Das ist ein enormer Fortschritt. Es ist also nicht absurd optimistisch zu glauben, dass man in den nächsten 50 Jahren die schwierigen Fragen über die Vorgänge in der Quanten- oder „inflationären“ Epoche verstehen wird.

Aber das wirft natürlich eine andere Frage auf: Wie viel von der Wissenschaft wird dem menschlichen Gehirn zugänglich sein? Es könnte sich zum Beispiel herausstellen, dass die Mathematik der Stringtheorie in gewisser Weise eine korrekte Beschreibung der Realität ist, dass wir aber nie in der Lage sein werden, sie gut genug zu verstehen, um sie mit einer echten Beobachtung zu vergleichen. Dann müssen wir vielleicht auf das Auftauchen einer Art von Post-Menschen warten, um ein umfassenderes Verständnis zu erlangen.

Aber jeder, der über diese Rätsel nachdenkt, sollte sich darüber im Klaren sein, dass der leere Raum des Physikers – das Vakuum – nicht dasselbe ist wie das „Nichts“ des Philosophen.