Level II Multiversum: Chaotische Inflation & Blasen nach der Inflation

Wenn Sie das Level-I-Multiversum bereits als groß und schwer verdaulich empfanden, versuchen Sie, sich eine unendliche Menge verschiedener Multiversen vorzustellen, von denen einige möglicherweise eine andere Dimensionalität und andere physikalische Konstanten aufweisen. Dies wird von der derzeit populären chaotischen Inflationstheorie vorhergesagt, und wir werden es als Level-II-Multiversum bezeichnen. Diese anderen Bereiche sind mehr als unendlich weit entfernt in dem Sinne, dass Sie sie niemals erreichen würden, selbst wenn Sie sich für immer mit Lichtgeschwindigkeit bewegen würden. Der Grund dafür ist, dass der Raum zwischen unserem Level-I-Multiversum und seinen Nachbarn immer noch Inflation erfährt, die ihn immer weiter ausdehnt und mehr Volumen erzeugt, als Sie durch ihn hindurchreisen können. Im Gegensatz dazu könnten Sie zu einem beliebig weit entfernten Level-I-Universum reisen, wenn Sie geduldig wären und sich die kosmische Expansion verlangsamen würde. (Astronomische Beweise deuten darauf hin, dass sich die kosmische Expansion derzeit beschleunigt. Wenn diese Beschleunigung anhält, bleiben selbst die parallelen Universen des Levels I für immer getrennt, wobei sich der dazwischenliegende Raum schneller ausdehnt, als sich das Licht darin ausbreiten kann. Die Jury ist sich jedoch noch nicht einig, wobei populäre Modelle vorhersagen, dass die Beschleunigung des Universums irgendwann aufhören und es möglicherweise sogar wieder zusammenfallen wird.)

In den 1970er Jahren hatte sich das Urknallmodell als eine äußerst erfolgreiche Erklärung für den größten Teil der Geschichte unseres Universums erwiesen. Es hatte erklärt, wie sich ein ursprünglicher Feuerball ausdehnte und abkühlte, Helium und andere leichte Elemente in den ersten Minuten synthetisierte, nach 400.000 Jahren transparent wurde und die kosmische Mikrowellenhintergrundstrahlung freisetzte und aufgrund der Gravitationsklumpung allmählich klumpiger wurde, wodurch Galaxien, Sterne und Planeten entstanden. Dennoch blieben beunruhigende Fragen darüber, was ganz am Anfang geschah. Ist etwas aus dem Nichts entstanden? Wo sind all die superschweren Teilchen, die als magnetische Monopole bekannt sind und die laut Vorhersagen der Teilchenphysik frühzeitig entstehen sollten (das “Monopolproblem”)? Warum ist der Raum so groß, so alt und so flach, wenn generische Anfangsbedingungen vorhersagen, dass die Krümmung mit der Zeit zunimmt und sich die Dichte nach etwa 10−42 Sekunden entweder Null oder Unendlich nähert (das “Flachheitsproblem”)? Welche Verschwörung hat dazu geführt, dass die CMB-Temperatur in Raumbereichen, die noch nie in kausalem Kontakt standen, nahezu identisch ist (das “Horizontproblem”)? Welcher Mechanismus erzeugte die 10−5-Pegel-Startfluktuationen, aus denen alle Strukturen entstanden?

Ein Prozess, der als Inflation bekannt ist, kann all diese Probleme mit einem Schlag lösen (siehe Übersichten von Guth & Steinhardt 1984 und Linde 1994) und hat sich daher als die populärste Theorie darüber herauskristallisiert, was sehr früh geschah. Inflation ist eine rasche Ausdehnung des Raums, die Monopole und andere Trümmer verdünnt, den Raum flach und gleichmäßig wie die Oberfläche eines sich ausdehnenden Ballons macht und Quantenvakuumfluktuationen zu makroskopisch großen Dichtefluktuationen ausdehnt, die die Entstehung von Galaxien auslösen können. Seit ihrer Einführung hat die Inflation zusätzliche Tests bestanden: CMB-Beobachtungen haben ergeben, dass der Raum extrem flach ist und dass die Startfluktuationen ein ungefähr skaleninvariantes Spektrum ohne eine wesentliche Gravitationswellenkomponente aufweisen, was alles in perfekter Übereinstimmung mit den inflationären Vorhersagen steht.

Inflation ist ein allgemeines Phänomen, das in einer Vielzahl von Theorien über Elementarteilchen auftritt. In dem populären Modell, das als chaotische Inflation bekannt ist, endet die Inflation in einigen Raumbereichen und ermöglicht Leben, wie wir es kennen, während Quantenfluktuationen dazu führen, dass sich andere Raumbereiche noch schneller aufblähen. Im Wesentlichen sprießt eine aufblasende Blase andere aufblasende Blasen, die wiederum andere in einer nie endenden Kettenreaktion erzeugen. Die Blasen, in denen die Inflation geendet hat, sind die Elemente des Level-II-Multiversums. Jede solche Blase ist unendlich groß (Überraschenderweise wurde gezeigt, dass Inflation dank eines Effekts, bei dem sich die räumlichen Richtungen der Raumzeit in Richtung der (unendlichen) Zeitrichtung krümmen, ein unendliches Level-I-Multiversum selbst in einer Blase mit endlichem räumlichem Volumen erzeugen kann (Bucher & Spergel 1999).), dennoch gibt es unendlich viele Blasen, da die Kettenreaktion nie endet. Wenn dieses exponentielle Wachstum der Anzahl der Blasen schon immer stattgefunden hat, wird es in der Tat eine unzählbare Unendlichkeit solcher paralleler Universen geben (dieselbe Unendlichkeit wie die, die der Menge der reellen Zahlen zugewiesen wird, die größer ist als die der [abzählbar unendlichen] Menge der ganzen Zahlen). In diesem Fall gibt es auch keinen Anfang der Zeit und keinen absoluten Urknall: Es gibt, gab und wird immer eine unendliche Anzahl von aufblasenden Blasen und postinflationären Regionen wie der geben, die wir bewohnen und die ein fraktales Muster bilden.

Die vorherrschende Ansicht ist, dass die Physik, die wir heute beobachten, lediglich ein Niederenergie-Limit einer viel symmetrischeren Theorie ist, die sich bei extrem hohen Temperaturen manifestiert. Diese zugrunde liegende fundamentale Theorie kann 11-dimensional und supersymmetrisch sein und eine große Vereinheitlichung der vier fundamentalen Naturkräfte beinhalten. Ein gemeinsames Merkmal solcher Theorien ist, dass die potentielle Energie des Feldes/der Felder, das/die die Inflation antreibt/antreiben, mehrere verschiedene Minima (manchmal auch “Vakuumzustände“ genannt) aufweist, die verschiedenen Arten der Brechung dieser Symmetrie und damit unterschiedlicher Niederenergiephysik entsprechen. Beispielsweise könnten alle bis auf drei räumlichen Dimensionen aufgerollt (“compaktifiziert“) sein, was zu einem effektiv dreidimensionalen Raum wie unserem führt, oder es könnten sich weniger aufrollen, was einen 7-dimensionalen Raum hinterlässt. Die Quantenfluktuationen, die die chaotische Inflation antreiben, könnten in verschiedenen Blasen zu unterschiedlichen Symmetriebrüchen führen, was dazu führt, dass verschiedene Mitglieder des Level-II-Multiversums unterschiedliche Dimensionalität aufweisen. Viele Symmetrien, die in der Teilchenphysik beobachtet werden, ergeben sich auch aus der spezifischen Art und Weise, wie die Symmetrie gebrochen wird, so dass es parallele Universen des Levels II geben könnte, in denen es beispielsweise zwei statt drei Generationen von Quarks gibt.

Zusätzlich zu solchen diskreten Eigenschaften wie Dimensionalität und fundamentalen Teilchen ist unser Universum durch eine Reihe dimensionsloser Zahlen gekennzeichnet, die als physikalische Konstanten bekannt sind. Beispiele hierfür sind das Elektron/Proton-Masseverhältnis mp /me ≈ 1836 und die kosmologische Konstante, die in sogenannten Planck-Einheiten etwa 10−123 zu sein scheint. Es gibt Modelle, in denen auch solche kontinuierlichen Parameter von einer Postinflationsblase zur nächsten variieren können. (Obwohl die fundamentalen Gleichungen der Physik im gesamten Level-II-Multiversum dieselben sind, werden sich die ungefähren effektiven Gleichungen, die die Niederenergiewelt regieren, die wir beobachten, unterscheiden. Wenn man beispielsweise von einem dreidimensionalen zu einem vierdimensionalen (nicht kompaktifizierten) Raum übergeht, ändert sich die beobachtete Gravitationskraftgleichung von einem inversen Quadratgesetz zu einem inversen Kubusgesetz. Ebenso wird das unterschiedliche Brechen der zugrunde liegenden Symmetrien der Teilchenphysik die Aufstellung der Elementarteilchen und die effektiven Gleichungen, die sie beschreiben, verändern. Wir werden die Begriffe “verschiedene Gleichungen” und “verschiedene physikalische Gesetze“ jedoch dem Level-IV-Multiversum vorbehalten, in dem sich die fundamentalen und nicht die effektiven Gleichungen ändern.)

Das Level-II-Multiversum ist daher wahrscheinlich vielfältiger als das Level-I-Multiversum und enthält Bereiche, in denen sich nicht nur die Anfangsbedingungen unterscheiden, sondern möglicherweise auch die Dimensionalität, die Elementarteilchen und die physikalischen Konstanten.

Bevor wir fortfahren, wollen wir kurz einige eng verwandte Multiversumsbegriffe kommentieren. Erstens, wenn ein Level-II-Multiversum existieren kann, das sich in einem fraktalen Muster ewig selbst reproduziert, dann mag es auch unendlich viele andere Level-II-Multiversen geben, die vollständig getrennt sind. Diese Variante scheint jedoch nicht testbar zu sein, da sie weder qualitativ unterschiedliche Welten hinzufügen noch die Wahrscheinlichkeitsverteilung für ihre Eigenschaften verändern würde. Alle möglichen Anfangsbedingungen und Symmetriebrüche werden bereits innerhalb jedes einzelnen realisiert.

Eine von Tolman und Wheeler vorgeschlagene und kürzlich von Steinhardt & Turok (2002) ausgearbeitete Idee ist, dass das (Level-I-)Multiversum zyklisch ist und eine unendliche Reihe von Urknalls durchläuft. Wenn es existiert, würde die Gesamtheit solcher Inkarnationen auch ein Multiversum bilden, das wohl eine ähnliche Vielfalt wie das von Level II aufweist.

Eine von Smolin (1997) vorgeschlagene Idee beinhaltet ein Ensemble, das in seiner Vielfalt dem von Level II ähnelt, aber mutiert und neue Universen durch Schwarze Löcher statt während der Inflation hervorbringt. Dies sagt eine Form der natürlichen Selektion voraus, die Universen mit maximaler Produktion Schwarzer Löcher begünstigt.

In Braneworld-Szenarien könnte eine andere 3-dimensionale Welt ganz buchstäblich parallel zu unserer sein, lediglich in einer höheren Dimension versetzt. Es ist jedoch unklar, ob eine solche Welt (“Brane“) es verdient, als ein paralleles Universum bezeichnet zu werden, das von unserem getrennt ist, da wir möglicherweise gravitativ mit ihr interagieren können, ähnlich wie wir es mit dunkler Materie tun.

Physiker mögen keine unerklärlichen Zufälle. Sie interpretieren sie in der Tat als Beweis dafür, dass Modelle ausgeschlossen werden. In Abschnitt I C haben wir gesehen, wie das offene Universumsmodell mit einer Wahrscheinlichkeit von 99,9 % ausgeschlossen wurde, weil es impliziert, dass das beobachtete Muster der CMB-Fluktuationen äußerst unwahrscheinlich ist, ein Zufall von eins zu tausend, der nur in 0,1 % aller Hubble-Volumina auftritt.

Nehmen wir an, Sie checken in ein Hotel ein, erhalten Zimmer 1967 und stellen überrascht fest, dass dies das Jahr ist, in dem Sie geboren wurden. Nach kurzem Nachdenken kommen Sie zu dem Schluss, dass dies doch nicht so überraschend ist, da das Hotel viele Zimmer hat und Sie diese Gedanken gar nicht hätten, wenn Ihnen ein anderes Zimmer zugewiesen worden wäre. Dann stellen Sie fest, dass Sie, selbst wenn Sie nichts über Hotels wüssten, auf die Existenz anderer Hotelzimmer hätten schließen können, denn wenn es im gesamten Universum nur eine Zimmernummer gäbe, hätten Sie einen unerklärlichen Zufall.

Betrachten wir als ein relevanteres Beispiel M, die Masse der Sonne. M beeinflusst die Leuchtkraft der Sonne, und unter Verwendung grundlegender Physik kann man berechnen, dass Leben, wie wir es auf der Erde kennen, nur möglich ist, wenn M im engen Bereich von 1,6 × 1030 kg − 2,4 × 1030 kg liegt — andernfalls wäre das Klima der Erde kälter als auf dem Mars oder heißer als auf der Venus. Der gemessene Wert ist M ∼ 2,0 × 1030 kg. Dieser scheinbare Zufall der bewohnbaren und beobachteten M-Werte mag beunruhigend erscheinen, da Berechnungen zeigen, dass Sterne im viel größeren Massenbereich M ∼ 1029 kg − 1032 kg existieren können. Aber genau wie im Hotelbeispiel können wir diesen scheinbaren Zufall erklären, wenn es ein Ensemble und einen Selektionseffekt gibt: Wenn es tatsächlich viele Sonnensysteme mit einer Reihe von Größen des Zentralsterns und der planetaren Bahnen gibt, dann erwarten wir natürlich, uns in einem der bewohnbaren zu befinden.

Allgemeiner gesagt kann der scheinbare Zufall der bewohnbaren und beobachteten Werte eines physikalischen Parameters als Beweis für die Existenz eines größeren Ensembles gewertet werden, von dem das, was wir beobachten, nur ein Mitglied von vielen ist (Carter 1973). Obwohl die Existenz anderer Hotelzimmer und Sonnensysteme unumstritten und beobachtungsmäßig bestätigt ist, ist dies bei parallelen Universen nicht der Fall, da sie nicht beobachtet werden können. Aber wenn eine Feinabstimmung beobachtet wird, kann man mit genau derselben Logik wie oben für ihre Existenz argumentieren. In der Tat gibt es zahlreiche Beispiele für Feinabstimmung, die parallele Universen mit anderen physikalischen Konstanten nahelegen, obwohl der Grad der Feinabstimmung noch aktiv diskutiert wird und durch zusätzliche Berechnungen geklärt werden sollte — siehe Rees (2002) und Davies (1982) für populäre Darstellungen und Barrow & Tipler (1986) für technische Details.

Wenn beispielsweise die elektromagnetische Kraft um nur 4 % geschwächt würde, würde die Sonne sofort explodieren (das Diproton hätte einen gebundenen Zustand, der die Sonnenleuchtkraft um einen Faktor von 1018 erhöhen würde). Wenn sie stärker wäre, gäbe es weniger stabile Atome. In der Tat scheinen die meisten, wenn nicht sogar alle Parameter, die die Niederenergiephysik beeinflussen, auf einer bestimmten Ebene feinabgestimmt zu sein, in dem Sinne, dass ihre Änderung um geringe Beträge zu einem qualitativ anderen Universum führt.

Wenn die schwache Wechselwirkung wesentlich schwächer wäre, gäbe es keinen Wasserstoff, da er kurz nach dem Urknall in Helium umgewandelt worden wäre. Wenn sie entweder viel stärker oder viel schwächer wäre, würden die Neutrinos einer Supernova-Explosion die äußeren Teile des Sterns nicht wegblasen, und es ist zweifelhaft, ob lebensunterstützende schwere Elemente jemals die Sterne verlassen könnten, in denen sie produziert wurden. Wenn die Protonen 0,2 % schwerer wären, würden sie in Neutronen zerfallen, die nicht in der Lage sind, Elektronen festzuhalten, so dass es keine stabilen Atome gäbe. Wenn das Proton-zu-Elektron-Masseverhältnis viel kleiner wäre, gäbe es keine stabilen Sterne, und wenn es viel größer wäre, gäbe es keine geordneten Strukturen wie Kristalle und DNA-Moleküle.

Feinabstimmungsdiskussionen werden oft hitzig, wenn jemand das “A-Wort“, anthropisch, erwähnt. Der Autor ist der Ansicht, dass Diskussionen über das sogenannte anthropische Prinzip mehr Aufregung als Klarheit erzeugt haben, mit vielen verschiedenen Definitionen und Interpretationen dessen, was es bedeutet. Dem Autor ist niemand bekannt, der mit dem übereinstimmt, was als MAP, das minimalistische anthropische Prinzip, bezeichnet werden könnte: • MAP: Beim Testen fundamentaler Theorien mit Beobachtungsdaten kann das Ignorieren von Selektionseffekten zu falschen Schlussfolgerungen führen.

Dies ist aus unseren obigen Beispielen offensichtlich: Wenn wir Selektionseffekte vernachlässigen würden, wären wir überrascht, einen Stern zu umkreisen, der so schwer ist wie die Sonne, da leichtere und dunklere Sterne viel häufiger vorkommen. Ebenso besagt MAP, dass das chaotische Inflationsmodell nicht durch die Tatsache ausgeschlossen wird, dass wir uns in dem winzigen Bruchteil des Raums befinden, in dem die Inflation geendet hat, da der aufblasende Teil für uns unbewohnbar ist. Glücklicherweise können Selektionseffekte nicht alle Modelle retten, wie Boltzmann vor einem Jahrhundert feststellte. Wenn sich das Universum im klassischen thermischen Gleichgewicht (Wärmetod) befände, könnten thermische Fluktuationen immer noch dazu führen, dass sich Atome zufällig zusammensetzen, um kurzzeitig einen selbstbewussten Beobachter wie Sie einmal in einem blauen Mond zu erschaffen, so dass die Tatsache, dass Sie gerade jetzt existieren, das kosmologische Modell des Wärmetods nicht ausschließt. Sie sollten jedoch statistisch gesehen erwarten, dass sich der Rest der Welt eher in einem chaotischen Zustand hoher Entropie als in dem geordneten Zustand niedriger Entropie befindet, den Sie beobachten, was dieses Modell ausschließt.

Das Standardmodell der Teilchenphysik hat 28 freie Parameter, und die Kosmologie kann zusätzliche unabhängige Parameter einführen. Wenn wir wirklich in einem Level-II-Multiversum leben, dann werden wir für diejenigen Parameter, die zwischen den parallelen Universen variieren, niemals in der Lage sein, unsere gemessenen Werte aus ersten Prinzipien vorherzusagen. Wir können lediglich Wahrscheinlichkeitsverteilungen dafür berechnen, was wir zu finden erwarten sollten, wobei wir Selektionseffekte berücksichtigen. Wir sollten erwarten, dass alles, was über das Ensemble hinweg variieren kann, so generisch ist, wie es mit unserer Existenz vereinbar ist. Wie in Abschnitt V ausführlich beschrieben, entwickelt sich diese Frage, was “generisch” ist und insbesondere wie man Wahrscheinlichkeiten in der Physik berechnet, zu einem peinlich dornigen Problem.