Je neugieriger wir auf die großen kosmischen Unbekannten werden, desto mehr unbeantwortete Fragen werden unsere Untersuchungen des Universums aufdecken. Die Frage nach der Natur von irgendetwas — wo es ist, woher es kam und wie es entstanden ist — wird Sie unweigerlich zu denselben großen Geheimnissen führen: über die ultimative Natur und den Ursprung des Universums und alles darin. Doch egal wie weit wir zurückgehen, die gleichen Fragen scheinen immer zu bleiben: Irgendwann existierten die Entitäten, die unser „Ausgangspunkt“ sind, nicht unbedingt, also wie sind sie entstanden? Schließlich landen Sie bei der ultimativen Frage: Wie ist etwas aus dem Nichts entstanden? Wie viele neuere Fragesteller, darunter Luke Martin, Buzz Morse, Russell Blalack, John Heiss und viele andere geschrieben haben:

„Okay, Sie erhalten diese Frage sicherlich endlos, aber ich werde trotzdem fragen: Wie kam etwas (das Universum / Urknall) aus dem Nichts?“

Dies ist vielleicht eine der größten Fragen von allen, weil es im Grunde nicht nur fragt, woher alles kam, sondern wie alles überhaupt entstanden ist. So weit hat uns die Wissenschaft zumindest bisher gebracht.

Wenn wir heute auf das Universum blicken, deutet die ganze Reihe von Beobachtungen, die wir gesammelt haben, selbst mit den bekannten Unsicherheiten, auf ein bemerkenswert konsistentes Bild hin. Unser Universum besteht aus Materie (und nicht aus Antimaterie), gehorcht überall und zu jeder Zeit den gleichen Gesetzen der Physik und begann — zumindest wie wir es kennen — vor etwa 13, 8 Milliarden Jahren mit einem heißen Urknall. Es wird von der Allgemeinen Relativitätstheorie regiert, es expandiert und kühlt und gravitiert, und es wird von dunkler Energie (68%) und dunkler Materie (27%) dominiert, wobei normale Materie, Neutrinos und Strahlung den Rest ausmachen.

Heute ist es natürlich voller Galaxien, Sterne, Planeten, schwerer Elemente und an mindestens einem Ort intelligentes und technologisch fortschrittliches Leben. Diese Strukturen waren nicht immer da, sondern entstanden als Ergebnis der kosmischen Evolution. In einem bemerkenswerten wissenschaftlichen Sprung konnten Wissenschaftler des 20.Jahrhunderts die Zeitachse rekonstruieren, wie unser Universum von einem meist einheitlichen Universum ohne komplexe Struktur und ausschließlich aus Wasserstoff und Helium zu dem strukturreichen Universum überging, das wir heute beobachten.

Wenn wir von heute ausgehen, können wir in der Zeit zurücktreten und fragen, woher eine einzelne Struktur oder Komponente dieser Struktur stammt. Für jede Antwort, die wir bekommen, können wir dann fragen: „Ok, aber woher kam das und wie ist das entstanden?“, bis wir gezwungen sind zu antworten: „Wir wissen es nicht, zumindest noch nicht.“ Dann können wir endlich darüber nachdenken, was wir haben, und fragen: „Wie ist das entstanden, und gibt es eine Möglichkeit, dass es aus dem Nichts entstanden sein könnte?“

Also, fangen wir an.

Das Leben, das wir heute haben, stammt aus komplexen Molekülen, die aus den Atomen des Periodensystems entstanden sein müssen: den Rohstoffen, aus denen die gesamte normale Materie besteht, die wir heute im Universum haben. Das Universum wurde nicht mit diesen Atomen geboren; Stattdessen benötigten sie mehrere Generationen von Sternen, die lebten und starben, wobei die Produkte ihrer Kernreaktionen in zukünftige Generationen von Sternen recycelt wurden. Ohne dies wären Planeten und komplexe Chemie eine Unmöglichkeit.

Um moderne Sterne und Galaxien zu bilden, brauchen wir:

• Gravitation, um kleine Galaxien und Sternhaufen ineinander zu ziehen, große Galaxien zu erzeugen und neue Wellen der Sternentstehung auszulösen,
• die bereits existierende Massensammlungen erforderten, die aus dem Gravitationswachstum erzeugt wurden,
• die frühzeitige Bildung von Halos aus dunkler Materie erfordern, um zu verhindern, dass Sternentstehungsepisoden diese Materie zurück in das intergalaktische Medium ausstoßen,
• die das richtige Gleichgewicht normaler materie, dunkle Materie und Strahlung, um den kosmischen Mikrowellenhintergrund zu erzeugen, die Lichtelemente, die sich im heißen Urknall gebildet haben, und die Häufigkeiten / Muster, die wir in ihnen sehen,
• , die anfängliche Samenfluktuationen — Dichtefehlstellen — erforderten, um gravitativ in diese Strukturen hineinzuwachsen,
• , die eine Art und Weise erfordern, diese Unvollkommenheiten zu erzeugen, zusammen mit einer Art und Weise, dunkle Materie zu erzeugen und die anfänglichen Mengen normaler Materie zu erzeugen.

Dies sind drei Schlüsselzutaten, die in den frühen Stadien des heißen Urknalls benötigt werden, um das Universum, wie wir es heute beobachten, entstehen zu lassen. Unter der Annahme, dass wir auch die Gesetze der Physik und der Raumzeit selbst benötigen — zusammen mit Materie / Energie selbst —, möchten wir diese wahrscheinlich als notwendige Zutaten einbeziehen, die irgendwie entstehen müssen.

Kurz gesagt, wenn wir fragen, ob wir ein Universum aus dem Nichts bekommen können oder nicht, sind dies die neuen, bisher ungeklärten Entitäten, die wir irgendwie entstehen müssen.

Um mehr Materie als Antimaterie zu erhalten, müssen wir zurück in das sehr frühe Universum extrapolieren, in eine Zeit, in der unsere Physik sehr unsicher ist. Die Gesetze der Physik, wie wir sie kennen, sind in gewissem Sinne symmetrisch zwischen Materie und Antimaterie: jede Reaktion, die wir jemals erzeugt oder beobachtet haben, kann Materie und Antimaterie nur in gleichen Mengen erzeugen oder zerstören. Aber das Universum, das wir hatten, obwohl es in einem unglaublich heißen und dichten Zustand begann, in dem Materie und Antimaterie beide in reichlich vorhandenen Mengen erzeugt werden konnten, muss eine Möglichkeit gehabt haben, eine Materie / Antimaterie-Asymmetrie zu erzeugen, in der anfangs keine existierte.

Es gibt viele Möglichkeiten, dies zu erreichen. Obwohl wir nicht wissen, welches Szenario tatsächlich in unserem jungen Universum stattgefunden hat, beinhalten alle Möglichkeiten, dies zu tun, die folgenden drei Elemente:

1. eine Reihe von Bedingungen außerhalb des Gleichgewichts, die natürlich in einem expandierenden, abkühlenden Universum auftreten,
2. eine Möglichkeit, baryonenzahlverletzende Wechselwirkungen zu erzeugen, die das Standardmodell durch Sphaleron-Wechselwirkungen zulässt (und Szenarien jenseits des Standardmodells auf zusätzliche Weise zulassen),
3. und eine Möglichkeit, genügend C- und CP-Verletzungen zu erzeugen, um eine Materie / Antimaterie-Asymmetrie in ausreichenden Mengen zu erzeugen.

Das Standardmodell hat all diese Zutaten, aber nicht genug. Wenn Sie ein Materie / Antimaterie-symmetrisches Universum als „ein Universum mit nichts“ betrachten, dann ist es fast garantiert, dass das Universum etwas aus dem Nichts erzeugt hat, obwohl wir nicht ganz sicher sind, wie es genau passiert ist.

Ebenso gibt es viele praktikable Möglichkeiten, dunkle Materie zu erzeugen. Wir wissen — aus umfangreichen Tests und Suchen —, dass dunkle Materie, was auch immer sie ist, nicht aus Teilchen bestehen kann, die im Standardmodell vorhanden sind. Was auch immer seine wahre Natur ist, es erfordert neue Physik jenseits dessen, was derzeit bekannt ist. Aber es gibt viele Möglichkeiten, wie es hätte geschaffen werden können, einschließlich:

• thermisch im heißen, frühen Universum erzeugt zu werden und dann nicht vollständig zu vernichten und danach stabil zu bleiben (wie das leichteste supersymmetrische oder Kaluza-Klein-Teilchen),
• oder von einem Phasenübergang, der spontan auftrat, als sich das Universum ausdehnte und abkühlte und massive Teilchen aus dem Quantenvakuum riss (z. B. das Axion),
• als neue Form eines Neutrinos , die sich entweder mit den bekannten Neutrinos (d.h. steriles Neutrino) oder als schweres rechtshändiges Neutrino, das zusätzlich zu den herkömmlichen Neutrinos existiert,
• oder als rein gravitatives Phänomen, das ein ultramassives Teilchen (z. B. ein WIMPzilla) hervorruft.

Warum gibt es heute dunkle Materie, wenn der Rest des Universums schon früh ohne sie gut zu funktionieren scheint? Es muss einen Weg gegeben haben, dieses „Ding“ zu erzeugen, wo es vorher nicht so etwas gab, aber all diese Szenarien erfordern Energie. Also, woher kam all diese Energie?

Vielleicht kam es nach der kosmischen Inflation — unserer führenden Theorie der Ursprünge des Universums vor dem Urknall – wirklich aus dem Nichts. Dies erfordert ein wenig Erklärung, und ist das, was am häufigsten mit „einem Universum aus dem Nichts“ gemeint ist.“ (Einschließlich übrigens, wie es im Titel des gleichnamigen Buches verwendet wurde.)

Wenn Sie sich die frühesten Stadien des heißen Urknalls vorstellen, müssen Sie an etwas unglaublich Heißes, Dichtes, Energiereiches und fast perfekt Gleichmäßiges denken. Wenn wir fragen: „Wie ist das entstanden?“, haben wir normalerweise zwei Möglichkeiten.

1. Wir können die Lady Gaga-Route gehen und einfach behaupten, dass sie „auf diese Weise geboren“ worden sein muss.“ Das Universum wurde mit diesen Eigenschaften geboren, die wir Anfangsbedingungen nennen, und es gibt keine weitere Erklärung. Als theoretischer Physiker nennen wir diesen Ansatz „Aufgeben.“
2. Oder wir können das tun, was theoretische Physiker am besten können: Versuchen, einen theoretischen Mechanismus zu entwickeln, der die Anfangsbedingungen erklären könnte, konkrete Vorhersagen zu treffen, die sich von den Vorhersagen der Standardtheorie unterscheiden, und dann die kritischen Parameter zu messen.

Die kosmische Inflation entstand als Ergebnis dieses zweiten Ansatzes und veränderte buchstäblich unsere Vorstellung davon, wie unser Universum entstanden ist.

Anstatt „heiß und dicht“ zurück auf eine unendlich heiße, unendlich dichte Singularität zu extrapolieren, sagt die Inflation im Grunde: „Vielleicht ging dem heißen Urknall eine Periode voraus, in der eine extrem große Energiedichte im Gewebe des Raumes selbst vorhanden war, was dazu führte, dass sich das Universum ausdehnte eine unerbittliche (inflationäre) Rate, und dann, als die Inflation endete, wurde diese Energie in Materie und Antimaterie und Strahlung übertragen, wodurch das entstand, was wir als den heißen Urknall sehen: die Folgen der Inflation.“

In blutigen Details erzeugt dies nicht nur ein Universum mit der gleichen Temperatur überall, räumlicher Ebenheit und keinen übrig gebliebenen Relikten aus einer hypothetischen großen einheitlichen Epoche, sondern sagt auch eine bestimmte Art und ein bestimmtes Spektrum von Samenfluktuationen (Dichte) voraus, die wir dann gesehen haben. Aus dem leeren Raum selbst – obwohl es sich um einen leeren Raum handelt, der mit einer großen Menge Feldenergie gefüllt ist — hat ein natürlicher Prozess das gesamte beobachtbare Universum geschaffen, das reich an Struktur ist, wie wir es heute sehen.

Das ist die große Idee, ein Universum aus dem Nichts zu bekommen, aber es ist nicht für jeden befriedigend.

Für einen großen Teil der Menschen ist ein Universum, in dem Raum und Zeit noch existieren, zusammen mit den Gesetzen der Physik, den fundamentalen Konstanten und einer Nicht-Null-Feldenergie, die dem Gewebe des Raumes selbst innewohnt, sehr stark von der Idee des Nichts getrennt. Wir können uns schließlich einen Ort außerhalb des Raums vorstellen; ein Moment jenseits der Grenzen der Zeit; eine Reihe von Bedingungen, die keine physische Realität haben, um sie einzuschränken. Und diese Vorstellungen – wenn wir diese physischen Realitäten als Dinge definieren, die wir eliminieren müssen, um wahres Nichts zu erhalten — sind sicherlich gültig, zumindest philosophisch.

Aber das ist der Unterschied zwischen philosophischem Nichts und einer physikalischeren Definition von Nichts. Wie ich bereits 2018 schrieb, gibt es vier wissenschaftliche Definitionen von nichts, und sie sind alle gültig, abhängig von Ihrem Kontext:

1. Eine Zeit, in der dein „Ding“ von Interesse nicht existierte,
2. Leerer physischer Raum,
3. Leere Raumzeit im Niedrigstenenergiezustand möglich, und
4. Was auch immer du übrig hast, wenn du das gesamte Universum und die Gesetze, die es regieren, wegnimmst.

Wir können definitiv sagen, dass wir „ein Universum aus dem Nichts“ erhalten haben, wenn wir die ersten beiden Definitionen verwenden; wir können nicht, wenn wir die dritte verwenden; und leider wissen wir nicht genug, um zu sagen, was passiert, wenn wir die vierte verwenden. Ohne eine physikalische Theorie, die beschreibt, was außerhalb des Universums und jenseits der physikalischen Gesetze geschieht, ist das Konzept des wahren Nichts physikalisch schlecht definiert.

Im Kontext der Physik ist es unmöglich, eine Idee des absoluten Nichts zu verstehen. Was bedeutet es, außerhalb von Raum und Zeit zu sein, und wie können Raum und Zeit sinnvoll und vorhersehbar aus einem Zustand der Nichtexistenz hervorgehen? Wie kann Raumzeit an einem bestimmten Ort oder zu einer bestimmten Zeit entstehen, wenn es ohne sie keine Definition von Ort oder Zeit gibt? Woher kommen die Regeln für Quanten — die Felder und Teilchen beide — entstehen aus?

Dieser Gedankengang geht sogar davon aus, dass Raum, Zeit und die Gesetze der Physik selbst nicht ewig waren, obwohl sie es tatsächlich sein könnten. Alle gegenteiligen Sätze oder Beweise beruhen auf Annahmen, deren Gültigkeit unter den Bedingungen, unter denen wir sie anwenden möchten, nicht fundiert nachgewiesen ist. Wenn Sie eine physikalische Definition von „nichts“ akzeptieren, dann scheint das Universum, wie wir es kennen, aus dem Nichts entstanden zu sein. Aber wenn ihr physische Zwänge hinter euch lasst, dann verschwindet alles Wissen über unseren ultimativen kosmischen Ursprung.

Unglücklicherweise für uns alle löscht die Inflation von Natur aus alle Informationen, die aus einem bereits existierenden Zustand in unser beobachtbares Universum eingeprägt werden könnten. Trotz der grenzenlosen Natur unserer Vorstellungskraft können wir nur Rückschlüsse auf Dinge ziehen, für die Tests mit unserer physischen Realität konstruiert werden können. Egal wie logisch jede andere Überlegung klingen mag, einschließlich einer Vorstellung von absolutem Nichts, es ist nur ein Konstrukt unseres Geistes.

Senden Sie Ihre Fragen an Ethan an startswithabang at gmail dot com!