Was ist Nichts?

Beim bewährten wiki findet man eine beeindruckende Sammlung von nichts (oder Nichts oder Nichtsen?). Die Abbildung von ZmB  wird dem nicht gerecht         (Bild  ← von nix: ZmB).

Hier noch das Nichts aus der formalen Logik als Negation des Existenzquantors (¬∃x) von wiki, ehe es richtig losgeht mit dem Nichts.

Da wäre also dieser Artikel What is nothing? Martin Rees Q&A (The Conversation 2018), in dem Martin Rees zum Nichts befragt wird. Rees ist Astronomer Royal (britischer Ehrentitel für verdiente Astronomen) und emeritierter Professor für Kosmologie und Astrophysik von der Universität Cambridge. Wenn solche Leute von Nichts sprechen, meinen sie den leeren Raum, das Vakuum. In Wirklichkeit ist der leere Raum nicht leer, das Vakuum ist erfüllt von einer mysteriösen Energie („a mysterious energy latent in it“), die uns etwas über das Schicksal des Universums verrät.

Rees kleidet das in die Worte, für den Fisch möge das Wasser als Nichts erscheinen. Wenn man alles wegnimmt. was drin rumschwimmt, bleibt eben nichts. So ähnlich sei das mit dem leeren Raum.

Der sei wirklich ziemlich leer, da schwimmt nur ein Atom pro 10 Kubikmetern rum – ein Vakuum, das auf der Erde nicht herstellbar ist. Und doch, wenn man die Materie ganz wegnimmt, bleibt trotzdem was über. Der Raum hat eine Art von Elastizität, die gemäß jüngster Bestätigung Gravitationswellen zulässt – Riffeln (kleine Wellen) im Raum selbst, die sich durch ihn fortpflanzen („ripples in space itself propagate through it“). Außerdem haben die Physiker gelernt, dass es im leeren Raum eine exotische Art von Energie gibt (dazu siehe auch Oxford-Forscher haben zum ersten Mal das Nichts in unserem Universum festgehalten, BI 2018).

Man weiß seit dem 20. Jhd. von dieser Vakuumenergie. Beschrieben wird sie von der Quantenmechanik, welche die Welt der Atome und Partikel regiert. Der leere Raum wird demnach von einem Feld fluktuierender Nullpunktsenergie erfüllt, die Wellen und virtuelle Partikel erzeugt und verschlingt („pop into and out of existence“). Sie können sogar winzige Kräfte erzeugen.

Aber was gilt für den leeren Raum im kosmischen Maßstab? Erst vor ca. 20 Jahren wurde entdeckt, dass dort eine großmaßstäbliche Kraft ausgeübt  („exert“) wird, welche die Expansion des Universums bewirkt. Über die Expansion ist man seit über 50 Jahren im Bild, nur dachte man, die Expansion würde sich wegen der Gravitationskräfte verlangsamen. Um so größer war die Überraschung, dass die Bremseffekte von etwas überwunden wurden, das die Expansion befördert. Es gibt latente Energie im leeren Raum selbst, welche die Anziehungskräfte der Gravitation auf den großen Skalen überwindet. Dies Phänomen nennt man Dunkle Energie, und es stellt die dramatischste Manifestation der Tatsache dar, dass der leere Raum nicht eigenschaftslos und irrelevant ist. Tatsächlich bestimmt es sogar über das endgültige Schicksal des Universums.

Damit geht’s ins quantenphysikalische Detail. Im Maßstab von 10-24-facher Atomgröße (die bei 10−10 m liegt) können Quantenfluktuationen der Raumzeit nicht nur virtuelle Partikel erzeugen, sondern sogar virtuelle Schwarze Löcher. Dieser Bereich um 10−34 m ist nicht beobachtbar. Dort behilft man sich mit der Kombination von Gravitationstheorien und Quantenmechanik, um die Ereignisse theoretisch durchzuspielen – eine notorisch schwierige Aufgabe.

Zu den Theorien, die das bewältigen möchten, gehören die Stringtheorien. Bloß dass die noch nie mit der Realwelt ins Gehege gekommen sind – sie sind immer noch reine Spekulation (siehe auch Rezension zu Rovelli Die Wirklichkeit, die nicht so ist, wie sie scheint). Aber Rees glaubt, dass heute fast alle Physiker bei den Mikro-Maßstäben geneigt sind, komplizierte Strukturen aus dem Zusammenwirken von Gravitations- und Quanten-Effekten zu akzeptieren.

Immerhin wissen wir, dass unser Universum sich in drei Dimensionen ausbreitet: rechts/links, vorwärts/rückwärts und hoch/runter. Die Zeit gilt als vierte Dimension. Aber wenn man in die ganz winzigen Maßstäbe eintaucht, sind dann die Raumpunkte wie ein Origami in weiteren fünf Dimensionen zusammengefaltet? So fest, dass sie unsichtbar sind? Das ist bloß eine starke Vermutung. Als Makro-Beispiel kann ein Schlauch dienen, der von weitem wie ein Strich aussieht.

Wie auch immer, die Stringtheorien beinhalten komplizierte Mathematik, und die rivalisierenden Theorien dito. Aber die Komplexität ist nötig, um den niedrigsten vorstellbaren Level nahe dem Nichts zu verstehen, nämlich dem leeren Raum („the deepest level the nearest to nothingness“).

Doch kann unser gegenwärtiges Verständnis des Universums seine Ausdehnung aus dem Nichts heraus erklären? Kann es wirklich von einem Stückchen fluktuierender Vakuumenergie ausgegangen sein?

Möglicherweise hat irgendeine mysteriöse Transition oder Fluktuation es angestoßen, dass ein Teil des Raums expandierte. Das ist zumindest die Denke einiger Theoretiker. Die systemimmanenten Fluktuationen der Quantentheorie könnten das ganze Universum durchschütteln, wenn sie auf eine genügend kleine Skala komprimiert würden. Es würde passieren, wenn das Zeitelement auf 10−44 sec verkleinert würde, der Bereich, der Planck-Zeit heißt. In diesem Bereich sind Raum und Zeit so verflochten, dass die Vorstellung einer tickenden Uhr keinen Sinn mehr ergibt. Die zugänglichen Bereiche liegen bei Nanosekunden und mit mehr Ungewissheit bis weiter runter zur Planck-Zeit. Aber danach ist eine größere, kompliziertere Theorie nötig.

Und wenn so eine Fluktuation irgendwo im leeren Raum das Universum erzeugte, könnte nicht dasselbe in anderen leeren Bereichen geschehen und damit ein Paralleluniversum in einem Multiversum schaffen?

Bei vielen Physikern sind solche Vorstellungen von mehr als einem Big Bang populär. Es gibt auch viele Vertreter von zyklischen Universen. Erst vor 50 Jahren traten starke Beweise für den Big Bang hervor. Dass er bloß eine Schleife in einem zyklischen Universum sein könnte, wurde sogleich spekuliert. Auch finden sich Vertreter der Ansicht, dass unser Bereich von Raum und Zeit bloß ein Teil der physikalischen Realität ist. Realistisch gesehen ist das Spekulation. Wir wissen nicht, ob es einen oder viele Big Bangs gab.

Und wie wird das Universum enden?

Derzeit gilt die Langzeitprognose, dass unser Universum sich immer schneller immer weiter ausdehnt, wobei es immer leerer und kälter wird. Die Partikel mögen zerfallen, die Ausdünnung mag immer weiter gehen. Am Ende wäre das gesamte Universum überall leerer als der interstellare Raum jetzt ist. Das ist eins der Szenarien, aber es gibt auch andere. Dabei könnte z.B. die Dunkle Energie ihre Wirkweise umkehren und von Abstoßung zu Anziehung umschalten. Das nennt sich dann Kollaps oder Big Crunch.

Dem Physiker Roger Penrose verdanken wir eine weitere Theorie, wo die Expansion bis zur Verdünnung aller Materie zu (masselosen) Photonen geht, und dann gibt’s eine „Reskalierung“, die den Raum zum Generator eines neuen Big Bangs macht – Rees findet das exotisch und nimmt Abstand von weiteren Erklärungen.

Er beantwortet lieber die Frage nach der Gewissheit: Wird die Wissenschaft am Ende die ultimative Antwort auf die Frage nach dem Nichts abliefern? Auch wenn bewiesen werden kann, dass das Universum von einer mysteriösen Fluktuation des Vakuumfelds ausging, müssten wir dann nicht fragen, wo das Vakuumfeld herkam?

Da beißt sich die Katze in den Schwanz: Immer wenn die Wissenschaft Fragen beantwortet, kommen neue Fragen hoch. Wir werden nie ein komplettes Bild gewinnen, so Rees. Als er in den 1960-ern zu forschen begann, wurde um die Frage gerungen, gab es einen Big Bang oder nicht? Es gab einen, das ist jetzt Konsens, und mit 2% Präzision kann der Ablauf des Universums für die letzten 13,8 Milliarden Jahre angegeben werden, bis 1 Nanosekunde nach dem Big Bang.

Das ist ein gewaltiger Fortschritt. Deshalb scheint es nicht übermäßig optimistisch zu sein, wenn man für die nächsten 50 Jahre ein Verständnis der Raumexpansion erwartet. Aber wieviel von der Wissenschaft wird für das menschliche HIrn begreifbar sein? Es könnte ja z.B. rauskommen, dass die Mathematik der Stringtheorie in gewisser Weise eine korrekte Beschreibung der Realität darstellt, dass wir sie aber nie gut genug verstehen werden, um sie richtig zu überprüfen. Dann müssen wir auf irgendeine Art von Posthumanität warten, um ein besseres Verständnis zu erlangen.

Und zum Abschluss: Wer über diese Mysterien nachdenkt, sollte sich dessen bewusst sein, dass der leere Raum der Physiker – das Vakuum – nicht dasselbe ist wie das Nichts der Philosophen.

Nach der formalen Logik muss man da sogar noch weiter unterscheiden (wiki). „Nichts existiert“ (¬∃x, also „es ist nicht der Fall, dass etwas existiert“) und „Das Nichts existiert“ (∃xPx mit der Eigenschaft P „nix“) sind demnach nicht synonym.

Much Ado About Nothing.

 

Wilfried Müller

(Dieses Nichts wurde am 19.8.18 zuerst publiziert, und seither hat sich nichts geändert – außer am Artikel selber, der am 7.10.19 überarbeitet wurde.)

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3 Responses to Was ist Nichts?

  1. Günter Dedie sagt:

    Hinweis zu „Und wenn so eine Fluktuation irgendwo im leeren Raum das Universum erzeugte, könnte nicht dasselbe in anderen leeren Bereichen geschehen und damit ein Paralleluniversum in einem Multiversum schaffen? Bei vielen Physikern sind solche Vorstellungen von mehr als einem Big Bang populär.“

    Diese Vorstellung halte ich für gänzlich unrealistisch. Auch im Artikel von Martin Rees habe ich dazu nichts Erhellendes gefunden.
    Grund: Die Energie der Vakuumfluktuationen reicht meist nur für ein Elektron-Positron-Paar (ca. 1 MeV). Ein neuer Urknall würde aber eine derart immense Energie der Fluktuation erforden, dass er immens unwahrscheinlich ist, bzw. reine Spekulation. Beim „alten“ Urknall hat die Energie auf einen Schlag ca. 10hoch80 Elementarteilchen erzeugt. Wo soll diese Energie plötzlich und auf einen „Punkt“ konzentriert herkommen? Der Bereich des Raums ist doch aufgrund der o.g. Annahme leer!

  2. CumiPomEss sagt:

    Als normaler Currywurst mit Pommes Esser würde ich sagen, wenn ich über Nichts denke ist Nichts nicht Nichts sondern Etwas.
    Wenn aus einer mysteriösen Transition/Fluktuation im Nichts etwas wird, so war doch zu mindestens vorher um das Mysterium herum Etwas nämlich Nichts.
    Also ist doch immer Etwas und nicht Nichts, folglich sind Nichts und Etwas identisch.
    Na, da bleib ich doch lieber bei der Currywurst, das macht satt.

  3. Johann Wolfgang Goethe sagt:

    Das Nichts existiert nicht, es ist nur Wort.

    Gruß Wolfgang

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