NaWi 11: Zur „Feinabstimmung“ der Naturkonstanten

Bild: Das Auge Gottes; Quelle Wikimedia

Dieses Thema wird seit über 100 Jahren diskutiert und im deutschen Wikipedia-Eintrag folgendermaßen beschrieben: „Als Feinabstimmung des Universums wird in der Kosmologie die genaue Abstimmung der Größe von Naturkonstanten in den gegenwärtigen physikalischen Theorien bezeichnet, die notwendig zu sein scheint, um den physikalischen Zustand des beobachtbaren Universums zu erklären.“ Kritische Werte sind dabei beispielsweise die kosmologische Konstante, das Verhältnis von Elektronenmasse zur Protonenmasse, das Verhältnis der elektromagnetischen Kraft zur starken Kernkraft,  die Lage der Kernenergie-Niveaus von Beryllium-8 wegen der Synthese von Kohlenstoff-12 in den Sternen und selbst die Anzahl der Dimensionen von Raum und Zeit. „Es ist umstritten, ob es diese Feinabstimmung tatsächlich gibt und ob sie notwendig ist für die Erklärung der Natur.“

Religiöse Kreationisten sehen die Feinabstimmung jedenfalls als göttlichen Akt, ohne den unsere Welt nicht funktionieren würde. Selbst Stephen Hawking meinte dazu noch 1988 in A Brief History of Time:  „The laws of science, as we know them at present, contain many fundamental numbers, like the size of the electric charge of the electron and the ratio of the masses of the proton and the electron. … The remarkable fact is that the values of these numbers seem to have been very finely adjusted to make possible the development of life.“

Es gibt grundsätzlich mehrere Möglichkeiten, wie man die Entwicklung und den Zustand unserer Welt betrachten kann. Drei wichtige Beispiele dafür sind:

  • Die religiös-kreationistische Interpretation: Unsere Welt einschließlich der feinabgestimmten Naturkonstanten wurde von Gott zweckmäßig so eingerichtet, wie sie ist. Nach der christlichen Ideologie sogar in sechs Tagen, mit dem Ziel des Menschen als Krone der Schöpfung. Sie erfordert eine ganz bestimmte Kombination von Naturkonstanten, die vom göttlichen Uhrmacher festgelegt und abgestimmt wurden. Dass diese Kombination per Zufall entsteht, wird als äußerst unwahrscheinlich angesehen. Die Alternative A1 ist unwissenschaftlich und wird hier nicht weiter betrachtet.
  • Die klassische naturwissenschaftliche Interpretation auf der Basis naturwissenschaftlicher Theorien, bis hin zur hypothetischen Theorie von Allem. Hier wird unsere Welt durch eine Menge von naturwissenschaftlichen Hypothesen und Theorien erkenntnistheoretisch beschrieben. Die Theorien werden aus fundamentalen Naturgesetzen abgeleitet. Das Ergebnis der Theorien im Vergleich zur gemessenen oder beobachteten Wirklichkeit hängt dabei mehr oder weniger empfindlich von den Werten der Naturkonstanten ab, die Bestandteil der Theorien sind.
  • Eine naturwissenschaftliche Interpretation auf Basis der emergenten Prozesse, die spontan und selbstorganisiert ablaufen. Bei dieser Interpretation entsteht unsere Welt ontologisch aus einer Folge derartiger Prozesse, die im Ergebnis zu einer Hierarchie von emergenten Systemen führen. Die Basis dieser Prozesse sind die schon ab dem Urknall vorgegebenen physikalischen Gesetze und ihre fundamentalen Konstanten. Die Evolution des Lebens und der Lebewesen wird von den emergenten Prozessen im Bereich der unbelebten Natur und bei der Entwicklung der menschlichen Gesellschaft und ihrer Kultur zum Weltbild des Ontologischen Naturalismus vervollständigt. Wir werden sehen, dass die emergente Interpretation viele Probleme von A2 nicht hat.

Die Aspekte der Feinabstimmung für A2 im Vergleich zu A1 führen zu wissenschaftlich anspruchsvollen Überlegungen, wobei es sehr schwierig zu sein scheint, den Bereich der Naturkonstanten für die Entwicklung von Leben zu definieren. Neuere Bücher, z.B. von Stenger oder Lewis (s.u.) versuchen die Problematik mit der Hypothese von mehrfachen Universen zu umgehen, sog. Multiversen, mit unterschiedlichen Konstanten und Gesetzen. Diese sollen insbesondere dann notwendig sein, wenn zusätzlich zur Feinabstimmung noch das anthropische Prinzip gewährleistet sein soll: Die Entstehung der Welt, die die Entwicklung der Menschen ermöglicht. Es wird dabei u.a. diskutiert, bei welchen Naturkonstanten welche Änderungen möglich sein könnten, ohne dass unsere gewohnte kosmische und irdische Ordnung gefährdet wird. Eine äußerst komplizierte und mühsame Angelegenheit.

Das gegenwärtige Standardmodell der Elementarteilchen beinhaltet 25 frei wählbare Parameter, und die Allgemeine Relativitätstheorie einen weiteren, die Kosmologische Konstante. Stenger argumentiert, “… that science may provide an explanation if a Theory of Everything is formulated, which may reveal connections between the physical constants. A change in one physical constant may be compensated by a change in another, suggesting that the apparent fine-tuning of the universe is a fallacy because, in hypothesizing the apparent fine-tuning, it is mistaken to vary one physical parameter while keeping the others constant.” Es gibt Vermutungen, dass es eine Variante der Theory of Everything geben könnte, die die Zahl der frei wählbaren Parameter von 26 auf einen reduziert. Von Martin Rees stammt ein Vorschlag, der die Anzahl der frei wählbaren Parameter im Hinblick auf die Feinabstimmung auf 6 reduzieren würde.

G. Feinberg und R. Shapiro haben allerdings schon 1993 in der hübschen Satire „A Puddlian Fable“ (in: Huchingson, Religion and the Natural Sciences; die Puddlians haben sogar eine Littele Puddlian Philosophical Society) darauf hingewiesen, „… that humans are adapted to the universe through the process of evolution, rather than the universe being adapted to humans.” Dem kann ich nur zustimmen: Wie so oft, bietet das Modell der emergenten selbstorganisierten Prozesse auch hier, wo die Dynamik des Geschehens entscheidend ist, eine überschaubare Lösung. Bei der Interpretation A3 entwickelt sich unsere Welt von Anfang an als Abfolge von emergenten Prozessen. Die emergenten Prozesse sind nicht zielgerichtet, sondern ergebnisoffen. Jeder Prozess erzeugt durch die spontane Selbstorganisation vieler Elemente aufgrund der Wechselwirkungen zwischen ihnen Systeme. Emergente Systeme können selbst wieder Elemente von emergenten Prozessen in einer höheren Ebene sein. Die Welt entwickelt sich deshalb im Laufe der Zeit zu einer Hierarchie von emergenten, zunehmend komplexen Systemen. Die von Anfang an vorgegebenen Naturgesetze und Naturkonstanten bestimmen bei diesen Prozessen die Wechselwirkungen der Elemente und Systeme. Sie sind immer und überall in der Welt wirksam, selbst im Vakuum und bereits beim hypothetischen Urknall.

So weit, so gut. Was hat das aber mit der Feinabstimmung der Naturkonstanten zu tun? Ganz einfach: Die ontologischen emergenten Prozesse arbeiten mit den Naturkonstanten, die sie vorfinden. Da es sich um nichtlineare Prozesse handelt, die auch untereinander wechselwirken und empfindlich von den Anfangsbedingungen abhängen, ist der Verlauf jedes einzelnen Prozesses und der Prozesse insgesamt nicht zielgerichtet (teleologisch) und nicht vorhersagbar, aber von Details zu Prozessbeginn abhängig. Nichtlineare Prozesse zeigen ja ein Verhalten, dass man deterministisches Chaos nennt: Winzige Änderungen am Anfang, an der Schwelle zur Selbstorganisation, im kritischen Zustand, können zu großen, nicht vorhersagbaren Änderungen im weiteren Verlauf führen. Zur Veranschaulichung verwendet man für diese Abläufe manchmal den Vergleich mit einem blinden Uhrmacher, der nicht auf ein Ziel hinarbeitet.

Da es in unserem Universum wahrscheinlich viele Milliarden Sonnen- und Planetensysteme gibt, bei denen sich Leben in dieser oder jener Form entwickelt haben könnte, ermöglicht auch eine einzige Kombination der Naturkonstanten eine große Vielfalt unterschiedlicher Entwicklungen. Wir bekommen davon allerdings nichts mit, weil die Planeten mit lebensfreundlichen Bedingungen nach heutigem Forschungsstand tausende bis Milliarden von Lichtjahren von uns und voneinander entfernt sind. Aber auch während der Entwicklungsprozesse auf unserer Erde hat es sehr viele große und kleinere schöpferische Zerstörungen gegeben, wie das Aussterben der Dinosaurier und der Aufstieg der Säugetiere, ohne die vieles anders hätte verlaufen können.

Entscheidend ist: Nur dort, wo sich Menschen entwickelt haben, können diese auch über das anthropische Prinzip nachdenken.

Wie wäre die Entwicklung nach A3 verlaufen, wenn die Naturkonstanten ab Urknall etwas andere Werte als die von uns beobachteten gehabt hätten? Dann wären die emergenten Prozesse einzeln und in Summe wahrscheinlich ein wenig oder auch deutlich anders verlaufen, und das Universum sähe anders aus als heute. Vielleicht wäre beispielsweise irgendwo im All Leben auf der Basis einer Siliziumchemie statt einer Kohlenstoffchemie entstanden? Darüber kann man nur spekulieren.

Selbst wenn sich z.B. die Gravitationskonstante während der Entwicklung des Universums ein wenig geändert hätte, wie manchmal vermutet wird, wären die emergenten Prozesse vielleicht ein wenig anders abgelaufen. Im Vergleich zu der Variationsbreite, die die emergente Entwicklung aber schon bei den aktuellen, zeitlich konstanten Werten der Naturkonstanten hat, dürfte das keinen großen Einfluss haben.

Für Multiversen gibt es in der Interpretation A3 auf Basis der emergenten Prozesse keinen Bedarf.

Weitere Informationen …

… zur Feinabstimmung:

Victor J. Stenger: The Fallacy of Fine-Tuning – Why the Universe Is Not Designed for Us; Prometheus Books 2011

Geraint F. Lewis, Luke A. Barnes: A Fortunate Universe – Life in a Finely Tuned Cosmos; Cambridge University Press 2016

… und zum Modell der emergenten Selbstorganisation:

Günter Dedié: Die Kraft der Naturgesetze – Emergenz und kollektive Fähigkeiten von den Elementarteilchen bis zur menschlichen Gesellschaft; tredition 2015

Günter Dedié: Gesellschaft ohne Ideologie – eine Utopie? Was die Naturwissenschaft von heute zur Gesellschaftsordnung von morgen beitragen kann; tredition 2019

Dieser Beitrag wurde unter Natur abgelegt und mit , , verschlagwortet. Setze ein Lesezeichen auf den Permalink.

1 Response to NaWi 11: Zur „Feinabstimmung“ der Naturkonstanten

  1. Wilfried Müller sagt:

    „Feinabstimmung, um den physikalischen Zustand des Universums zu erklären.“

    Das doch bloß eine mathematische Frage, wo die Parameter des Modells ganz fein aus dem Ist-Zustand berechnet werden. Dabei geht es doch nur um Gesetzesaussagen, die an die Realität angepasst werden. Die Denke, dass kleine Änderungen der Parameter ein anderes Universum hervorbrächten, ist deshalb falsch, weil sie die Parameter als primär sieht. Primär ist aber das Naturgesetz, nach dem sich alles so und nicht anders verhält. Also kommt nur den aktuellen Parametern Realität zu, alle anderen sind spekulativ.

Schreibe einen Kommentar

Deine E-Mail-Adresse wird nicht veröffentlicht. Erforderliche Felder sind mit * markiert.