Kosmologie: Leben im Multiversum

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Manche theoretische Physiker sehen in der Feinabstimmung ein indirektes Indiz für das Multiversum. Ziehen unsere Befunde deshalb die Idee eines Multiversums in Zweifel? Das meinen wir nicht - aus zwei Gründen. Den ersten Grund liefern theoretische Folgerungen aus astronomischen Daten. Sie stützen die Hypothese, dass unser Universum als ein winziges Fleckchen Raumzeit begann - vielleicht so winzig wie ein milliardstel Proton -, das dann eine Phase rapiden, exponentiellen Wachstums durchmachte, die so genannte Inflation. Zwar besitzen die Kosmologen noch kein definitives Modell der Inflation, doch theoretisch können verschiedene Flecken unterschiedlich schnell expandieren und separate Blasen bilden, aus denen jeweils ein eigenes, durch spezielle Werte der Naturkonstanten charakterisiertes Universum hervorgeht. Der Raum zwischen den Blasenuniversen expandiert so rasch weiter, dass Nachrichten oder gar Reisen von einer Blase zu anderen - selbst mit Lichtgeschwindigkeit - ausgeschlossen sind.

Der zweite Grund für die Existenz des Multiversums ist, dass jedenfalls eine Größe extrem fein abgestimmt zu sein scheint: die kosmologische Konstante, welche die Energie des Vakuums angibt. Gemäß der Quantenphysik muss selbst der leere Raum Energie enthalten. Einsteins allgemeine Relativitätstheorie fordert, dass jede Energieform Gravitation ausübt. Wenn diese Energie positiv ist, verursacht sie eine exponentiell beschleunigte Expansion der Raumzeit. Ist sie negativ, kollabiert das Universum in einem großen Zermalmen (big crunch). Die Quantentheorie liefert eine - in positiver oder negativer Richtung - viel zu große kosmologische Konstante: Entweder expandiert der Raum so schnell, dass sich niemals Galaxien und andere Strukturen bilden können, oder das Universum kollabiert schon nach Sekundenbruchteilen wieder.

Um zu erklären, warum unser Universum diesen Katastrophen entgeht, muss eine andere Größe die Wirkung der kosmologischen Konstante kompensieren - und zwar mit ungemein präziser Feinabstimmung. Schon eine Abweichung in der hundertsten Stelle nach dem Komma würde zu einem völlig strukturlosen Universum führen.

Im Jahr 1987 schlug der Nobelpreisträger Steven Weinberg an der University of Texas in Austin eine anthropische Erklärung vor. Er berechnete eine mit der Existenz von Leben vereinbare Obergrenze für die kosmologische Konstante. Wäre ihr Wert größer, würde der Raum so rasch expandieren, dass keine für Leben unerlässlichen Strukturen entstehen könnten. In gewissem Sinn folgt der niedrige Wert aus unserer bloßen Existenz.

Wie Astronomen Ende der 1990er Jahre entdeckten, expandiert das Universum tatsächlich beschleunigt, angetrieben von einer mysteriösen "Dunklen Energie". Aus den Beobachtungsdaten folgt, dass die kosmologische Konstante positiv und winzig klein ist - innerhalb der Grenzen von Weinbergs Vorhersage.

Somit ist die Konstante anscheinend außerordentlich fein abgestimmt. Außerdem scheinen die Methoden, die unsere Teams auf die schwache Kraft und die Quarkmassen angewandt haben, in diesem Fall zu versagen, denn es ist offenbar unmöglich, lebensfreundliche Universen zu finden, in denen die kosmologische Konstante wesentlich größer ist als der beobachtete Wert. In einem Multiversum dürfte die übergroße Mehrzahl der Universen kosmologische Konstanten haben, die mit der Bildung irgendeiner Struktur unvereinbar sind.

Als Vergleich mit einer realen Situation - an Stelle eines Actionfilms - mögen unzählige Wanderer dienen, die in eine gebirgige Wüste aufbrechen. Die wenigen, die lebend durchkommen, erzählen von halsbrecherischen Klettertouren, Begegnungen mit Giftschlangen und anderen lebensgefährlichen Abenteuern, die samt und sonders extrem unwahrscheinlich anmuten.

Theoretische Argumente, die auf der Stringtheorie beruhen - einer spekulativen Erweiterung des Standardmodells, die alle Naturkräfte als Vibrationen mikroskopischer Fäden zu beschreiben sucht -, scheinen ein solches Szenario zu stützen. Demnach konnten die kosmologische Konstante und andere Parameter während der Inflation praktisch alle möglichen Werte annehmen; sie bildeten die so genannte Landschaft der Stringtheorie.

Unsere eigene Arbeit zieht allerdings den Nutzen des anthropischen Prinzips - außer für den Fall der kosmologischen Konstante - etwas in Zweifel. Zum Beispiel: Wenn in einem Universum ohne schwache Kraft wirklich Leben möglich ist, warum hat dann unsere Welt überhaupt eine schwache Kraft? In der Tat halten die Teilchenphysiker die schwache Kraft in unserem Universum in gewissem Sinn für nicht schwach genug. Ihr beobachteter Wert erscheint innerhalb des Standardmodells als unnatürlich stark. Die gängige Erklärung für dieses Rätsel erfordert die Existenz neuer Teilchen und Kräfte, welche die Physiker mit dem neuen Large Hadron Collider am CERN bei Genf zu entdecken hoffen.

Infolgedessen erwarten viele Theoretiker, dass in den meisten Universen die schwache Kraft so gering ist, dass sie praktisch gar nicht vorkommt. Dann stellt sich allerdings erst recht das Problem, warum wir nicht in einem Universum ohne schwache Kraft leben.

Letztlich vermag nur tieferes Wissen über die Entstehung von Universen solche Fragen zu beantworten. Insbesondere werden wir vielleicht noch fundamentalere physikalische Prinzipien entdecken, aus denen hervorgeht, dass die Natur bestimmte Gruppen von Gesetzen bevorzugt.

Direkte Indizien für die Existenz anderer Universen lassen sich wohl nie finden, und gewiss werden wir niemals eine dieser Welten - so es sie gibt - besuchen können. Doch wenn wir unsere eigene Wirklichkeit besser verstehen wollen, müssen wir mehr über entlegene Möglichkeiten nachdenken.

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• 1. Teil: Leben im Multiversum
• 2. Teil: Leben ohne schwache Kraft
• 3. Teil: Wie entstehen schwere Elemente?
• 4. Teil: Eine Chemie mit anderen Quarks
• 5. Teil: Ein Multiversum ohne Feinabstimmung?