Level III Multiversum: Die vielen Welten der Quantenphysik

Es mag eine dritte Art von Parallelwelten geben, die nicht weit weg, sondern in gewissem Sinne direkt hier sind. Wenn die grundlegenden Gleichungen der Physik das sind, was Mathematiker unitär nennen, wie es bisher der Fall zu sein scheint, dann verzweigt sich das Universum immer wieder in Paralleluniversen wie im Cartoon: Wann immer ein Quantenereignis ein zufälliges Ergebnis zu haben scheint, treten in Wirklichkeit alle Ergebnisse ein, eines in jedem Zweig. Dies ist das Level III Multiversum. Obwohl es stärker diskutiert und kontroverser ist als Level I und Level II, werden wir sehen, dass dieses Level überraschenderweise keine neuen Arten von Universen hinzufügt.

Im frühen 20. Jahrhundert revolutionierte die Theorie der Quantenmechanik die Physik, indem sie den atomaren Bereich erklärte, mit Anwendungen von der Chemie bis zu Kernreaktionen, Lasern und Halbleitern. Trotz der offensichtlichen Erfolge in ihrer Anwendung entbrannte eine hitzige Debatte über ihre Interpretation – eine Debatte, die bis heute andauert. In der Quantentheorie wird der Zustand des Universums nicht in klassischen Begriffen wie den Positionen und Geschwindigkeiten aller Teilchen angegeben, sondern durch ein mathematisches Objekt, die sogenannte Wellenfunktion. Gemäß der sogenannten Schrödinger-Gleichung entwickelt sich dieser Zustand im Laufe der Zeit deterministisch in einer Weise, die als unitär bezeichnet wird, was einer Drehung im Hilbert-Raum entspricht, dem abstrakten, unendlichdimensionalen Raum, in dem die Wellenfunktion lebt. Der schwierige Teil ist, dass es vollkommen legitime Wellenfunktionen gibt, die klassisch kontraintuitiven Situationen entsprechen, wie z. B. dass Sie sich an zwei verschiedenen Orten gleichzeitig befinden. Schlimmer noch, die Schrödinger-Gleichung kann unschuldige klassische Zustände in solche schizophrenen Zustände verwandeln. Als barockes Beispiel beschrieb Schrödinger das berühmte Gedankenexperiment, bei dem eine fiese Vorrichtung eine Katze tötet, wenn ein radioaktives Atom zerfällt. Da das radioaktive Atom schließlich in eine Superposition aus zerfallen und nicht zerfallen übergeht, erzeugt es eine Katze, die sowohl tot als auch lebendig in Superposition ist.

In den 1920er Jahren wurde diese Eigenart erklärt, indem postuliert wurde, dass die Wellenfunktion bei jeder Beobachtung in ein bestimmtes klassisches Ergebnis “zusammenbricht”, wobei die Wahrscheinlichkeiten durch die Wellenfunktion gegeben sind. Einstein war unglücklich über eine solche intrinsische Zufälligkeit in der Natur, die die Unitarität verletzte, und bestand darauf, dass “Gott nicht würfelt”, und andere beklagten sich darüber, dass es keine Gleichung gäbe, die angibt, wann dieser Zusammenbruch eintritt. In seiner Dissertation von 1957 zeigte der Princeton-Student Hugh Everett III, dass dieses umstrittene Kollaps-Postulat unnötig war. Die Quantentheorie sagte voraus, dass sich eine klassische Realität allmählich in Superpositionen von vielen aufspalten würde. Er zeigte, dass Beobachter diese Aufspaltung subjektiv lediglich als eine leichte Zufälligkeit erleben würden, und zwar mit Wahrscheinlichkeiten, die genau mit denen aus dem alten Kollaps-Postulat übereinstimmen (de Witt 2003). Diese Superposition klassischer Welten ist das Level III Multiversum.

Everetts Arbeit hatte zwei entscheidende Fragen unbeantwortet gelassen: Erstens, wenn die Welt tatsächlich bizarre Makrosuperpositionen enthält, warum nehmen wir sie dann nicht wahr? Die Antwort kam 1970, als Dieter Zeh zeigte, dass die Schrödinger-Gleichung selbst eine Art Zensur-Effekt hervorruft (Zeh 1970). Dieser Effekt wurde als Dekohärenz bekannt und von Wojciech Zurek, Zeh und anderen in den folgenden Jahrzehnten detailliert ausgearbeitet. Es wurde festgestellt, dass kohärente Quantensuperpositionen nur so lange bestehen, wie sie vor dem Rest der Welt geheim gehalten werden. Eine einzige Kollision mit einem herumschnüffelnden Photon oder Luftmolekül reicht aus, um sicherzustellen, dass unsere Freunde in Abbildung 5 sich ihrer Gegenstücke in der parallelen Handlungslinie niemals bewusst sein können. Eine zweite unbeantwortete Frage in Everetts Bild war subtiler, aber ebenso wichtig: Welcher physikalische Mechanismus wählt ungefähr klassische Zustände (mit jedem Objekt nur an einem Ort usw.) im verwirrend großen Hilbert-Raum als speziell aus? Die Dekohärenz beantwortete auch diese Frage und zeigte, dass klassische Zustände einfach diejenigen sind, die am robustesten gegen Dekohärenz sind. Zusammenfassend identifiziert die Dekohärenz sowohl die Level III Paralleluniversen im Hilbert-Raum als auch grenzt sie voneinander ab. Die Dekohärenz ist mittlerweile unumstritten und wurde unter einer Vielzahl von Umständen experimentell gemessen. Da die Dekohärenz für alle praktischen Zwecke den Wellenfunktionskollaps nachahmt, hat sie einen Großteil der ursprünglichen Motivation für nicht-unitäre Quantenmechanik beseitigt und Everetts sogenannte Viele-Welten-Interpretation immer beliebter gemacht. Einzelheiten zu diesen Quantenfragen finden Sie in Tegmark & Wheeler (2001) für eine populäre Darstellung und in Giulini et al. (1996) für eine technische Übersicht.

Wenn die zeitliche Entwicklung der Wellenfunktion unitär ist, dann existiert das Level III Multiversum, daher haben Physiker hart daran gearbeitet, diese entscheidende Annahme zu testen. Bisher wurden keine Abweichungen von der Unitarität festgestellt. In den letzten Jahrzehnten haben bemerkenswerte Experimente die Unitarität für immer größere Systeme bestätigt, darunter das kräftige Kohlenstoff-60-“Buckey Ball”-Atom und kilometergroße optische Faserkabelsysteme. Auf der theoretischen Seite beinhaltete ein Hauptargument gegen die Unitarität die mögliche Zerstörung von Informationen während der Verdampfung von schwarzen Löchern, was darauf hindeutet, dass quantengravitative Effekte nicht-unitär sind und die Wellenfunktion kollabieren lassen. Ein aktueller Durchbruch in der Stringtheorie, bekannt als AdS/CFT-Korrespondenz, hat jedoch vorgeschlagen, dass selbst die Quantengravitation unitär ist und mathematisch äquivalent zu einer niederdimensionalen Quantenfeldtheorie ohne Schwerkraft ist (Maldacena 2003).

Bei der Diskussion von Paralleluniversen müssen wir zwischen zwei verschiedenen Betrachtungsweisen einer physikalischen Theorie unterscheiden: der Außenansicht oder Vogelperspektive eines Mathematikers, der ihre mathematischen grundlegenden Gleichungen studiert, und der Innenansicht oder Froschperspektive eines Beobachters, der in der von den Gleichungen beschriebenen Welt lebt***. Aus der Vogelperspektive ist das Level III Multiversum einfach: Es gibt nur eine Wellenfunktion, und sie entwickelt sich im Laufe der Zeit reibungslos und deterministisch ohne jegliche Art von Aufspaltung oder Parallelität. Die abstrakte Quantenwelt, die durch diese sich entwickelnde Wellenfunktion beschrieben wird, enthält eine riesige Anzahl paralleler klassischer Handlungsstränge, die sich kontinuierlich aufspalten und verschmelzen, sowie eine Reihe von Quantenphänomenen, denen eine klassische Beschreibung fehlt. Aus ihrer Froschperspektive nimmt jedoch jeder Beobachter nur einen winzigen Bruchteil dieser vollständigen Realität wahr: Sie kann nur ihr eigenes Hubble-Volumen (Level I) sehen, und die Dekohärenz verhindert, dass sie Level III parallele Kopien von sich selbst wahrnimmt. Wenn ihr eine Frage gestellt wird, sie eine spontane Entscheidung trifft und antwortet, führen Quanteneffekte auf Neuronenebene in ihrem Gehirn zu mehreren Ergebnissen, und aus der Vogelperspektive verzweigt sich ihre einzelne Vergangenheit in mehrere Zukünfte. Aus ihrer Froschperspektive sind sich jedoch alle Kopien ihrer selbst der anderen Kopien nicht bewusst, und sie nimmt diese Quantenverzweigung lediglich als eine leichte Zufälligkeit wahr. Danach gibt es für alle praktischen Zwecke mehrere Kopien ihrer selbst, die bis zu dem Zeitpunkt, an dem sie die Frage beantwortet, genau die gleichen Erinnerungen haben.

*** Tatsächlich entspricht das Standardbild davon, was die physische Welt ist, einem dritten, vermittelnden Standpunkt, der als Konsensansicht bezeichnet werden könnte. Aus Ihrer subjektiv wahrgenommenen Froschperspektive steht die Welt auf dem Kopf, wenn Sie auf dem Kopf stehen, und verschwindet, wenn Sie Ihre Augen schließen, aber Sie interpretieren Ihre sensorischen Eingaben unterbewusst so, als gäbe es eine äußere Realität, die unabhängig von Ihrer Ausrichtung, Ihrem Standort und Ihrem Geisteszustand ist. Es ist bemerkenswert, dass, obwohl diese dritte Ansicht sowohl Zensur (wie das Ablehnen von Träumen), Interpolation (wie zwischen Lidschlägen) als auch Extrapolation (z. B. das Zuschreiben von Existenz zu ungesehenen Städten) Ihrer Innenansicht beinhaltet, unabhängige Beobachter dennoch diese Konsensansicht zu teilen scheinen. Obwohl die Innenansicht für eine Katze schwarzweiß aussieht, für einen Vogel, der vier Primärfarben sieht, schillernd und für eine Biene, die polarisiertes Licht sieht, eine Fledermaus, die Sonar verwendet, eine blinde Person mit schärferem Tastsinn und Gehör oder den neuesten überteuerten Roboterstaubsauger noch anders ist, stimmen alle darin überein, ob die Tür offen ist. Die derzeitige zentrale Herausforderung in der Physik besteht darin, diese semiklassische Konsensansicht aus den grundlegenden Gleichungen abzuleiten, die die Vogelperspektive spezifizieren. Meiner Meinung nach bedeutet dies, dass, obwohl das Verständnis der detaillierten Natur des menschlichen Bewusstseins eine wichtige Herausforderung an sich ist, es für eine grundlegende Theorie der Physik nicht notwendig ist.

So seltsam das auch klingen mag, Abbildung 5 veranschaulicht, dass genau die gleiche Situation auch im Level I Multiversum auftritt, der einzige Unterschied besteht darin, wo sich ihre Kopien befinden (anderswo im guten alten dreidimensionalen Raum im Gegensatz zu anderswo im unendlichdimensionalen Hilbert-Raum, in anderen Quantenzweigen). In diesem Sinne ist Level III nicht fremder als Level I. In der Tat, wenn die Physik unitär ist, dann haben die Quantenfluktuationen während der Inflation keine eindeutigen Anfangsbedingungen durch einen zufälligen Prozess erzeugt, sondern eher eine Quantensuperposition aller möglichen Anfangsbedingungen gleichzeitig erzeugt, wonach die Dekohärenz dazu führte, dass sich diese Fluktuationen im Wesentlichen klassisch in getrennten Quantenzweigen verhalten. Die ergodische Natur dieser Quantenfluktuationen (Abschnitt I B) impliziert daher, dass die Verteilung der Ergebnisse in einem gegebenen Hubble-Volumen auf Level III (zwischen verschiedenen Quantenzweigen wie in Abb. 3) identisch mit der Verteilung ist, die Sie erhalten, wenn Sie verschiedene Hubble-Volumina innerhalb eines einzelnen Quantenzweigs (Level I) abtasten. Wenn physikalische Konstanten, Raumzeitdimensionalität usw. wie in Level II variieren können, dann variieren sie auch zwischen parallelen Quantenzweigen auf Level III. Der Grund dafür ist, dass, wenn die Physik unitär ist, der Prozess der spontanen Symmetriebrechung kein eindeutiges (wenn auch zufälliges) Ergebnis erzeugt, sondern eher eine Superposition aller Ergebnisse, die schnell zu praktisch getrennten Level III Zweigen dekoheriert. Kurz gesagt, das Level III Multiversum fügt, falls es existiert, nichts Neues über Level I und Level II hinaus hinzu – nur mehr ununterscheidbare Kopien derselben Universen, dieselben alten Handlungsstränge, die sich immer und immer wieder in anderen Quantenzweigen abspielen. Die Postulierung eines noch ungesehenen nicht-unitären Effekts, um das Level III Multiversum loszuwerden, würde Ockham angesichts von Ockhams Rasiermesser daher nicht glücklicher machen.

Die leidenschaftliche Debatte über Everetts Paralleluniversen, die seit Jahrzehnten tobt, scheint daher in einem großen Antiklimax zu enden, mit der Entdeckung eines weniger kontroversen Multiversums, das genauso groß ist. Dies erinnert an die berühmte Shapley-Curtis-Debatte der 1920er Jahre darüber, ob es wirklich eine Vielzahl von Galaxien (Paralleluniversen nach den Maßstäben der damaligen Zeit) oder nur eine gibt, ein Sturm im Wasserglas, jetzt, da die Forschung zu anderen Galaxienhaufen, Superhaufen und sogar Hubble-Volumina übergegangen ist. Im Nachhinein wirken sowohl die Shapley-Curtis- als auch die Everett-Kontroverse geradezu skurril und spiegeln unseren instinktiven Widerwillen wider, unseren Horizont zu erweitern.

Ein häufiger Einwand ist, dass die wiederholte Verzweigung die Anzahl der Universen im Laufe der Zeit exponentiell erhöhen würde. Die Anzahl der Universen N kann jedoch durchaus konstant bleiben. Mit der Anzahl der “Universen” N meinen wir die Anzahl, die aus der Froschperspektive (aus der Vogelperspektive gibt es natürlich nur eine) zu einem bestimmten Zeitpunkt ununterscheidbar sind, d. h. die Anzahl der makroskopisch unterschiedlichen Hubble-Volumina. Obwohl es offensichtlich eine riesige Anzahl davon gibt (stellen Sie sich vor, Sie würden Planeten an zufällige neue Orte bewegen, stellen Sie sich vor, Sie hätten jemand anderen geheiratet usw.), ist die Anzahl N eindeutig endlich – selbst wenn wir Hubble-Volumina auf Quantenebene pedantisch unterscheiden, um übermäßig konservativ zu sein, gibt es “nur” etwa 1010 mit einer Temperatur unter 108 K, wie oben beschrieben. Die reibungslose unitäre Entwicklung der Wellenfunktion in der Vogelperspektive entspricht einem nie endenden Gleiten zwischen diesen N klassischen Universumschnappschüssen aus der Froschperspektive eines Beobachters. Jetzt befinden Sie sich in Universum A, dem, in dem Sie diesen Satz lesen. Jetzt befinden Sie sich in Universum B, dem, in dem Sie diesen anderen Satz lesen. Anders ausgedrückt: Universum B hat einen Beobachter, der mit einem in Universum A identisch ist, außer mit einem zusätzlichen Moment der Erinnerungen. In Abbildung 5 befindet sich unser Beobachter zuerst in dem Universum, das durch das linke Panel beschrieben wird, aber jetzt gibt es zwei verschiedene Universen, die reibungslos damit verbunden sind, wie B es mit A getan hat, und in beiden wird sie sich des anderen nicht bewusst sein. Stellen Sie sich vor, Sie zeichnen einen separaten Punkt, der jedem möglichen Universum entspricht, und zeichnen Pfeile, die angeben, welche in der Froschperspektive miteinander verbunden sind. Ein Punkt könnte eindeutig zu einem anderen Punkt oder zu mehreren führen, wie oben. Ebenso könnten mehrere Punkte zu ein und demselben Punkt führen, da es viele verschiedene Möglichkeiten geben könnte, wie bestimmte Situationen entstanden sein könnten. Das Level III Multiversum beinhaltet also nicht nur sich aufspaltende, sondern auch sich verschmelzende Zweige.

Ergodizität impliziert, dass der Quantenzustand des Level III Multiversums unter räumlichen Translationen invariant ist, was eine unitäre Operation wie die zeitliche Translation ist. Wenn er auch unter zeitlicher Translation invariant ist (dies kann erreicht werden, indem eine Superposition einer unendlichen Menge von Quantenzuständen konstruiert wird, die alle unterschiedliche zeitliche Translationen ein und desselben Zustands sind, so dass ein Urknall zu unterschiedlichen Zeiten in verschiedenen Quantenzweigen stattfindet), dann würde die Anzahl der Universen automatisch genau konstant bleiben. Alle möglichen Universumschnappschüsse würden in jedem Moment existieren, und der Lauf der Zeit wäre nur im Auge des Betrachters – eine Idee, die im Science-Fiction-Roman “Permutation City” (Egan 1995) erforscht und von Deutsch (1997), Barbour (2001) und anderen entwickelt wurde.

Die Debatte darüber, wie die klassische Mechanik aus der Quantenmechanik hervorgeht, dauert an, und die Entdeckung der Dekohärenz hat gezeigt, dass viel mehr dahinter steckt als nur das Schrumpfen von Plancks Konstante h̄ auf Null. Wie Abbildung 7 veranschaulicht, ist dies jedoch nur ein kleines Stück eines größeren Puzzles. In der Tat ist die endlose Debatte über die Interpretation der Quantenmechanik – und sogar die breitere Frage der Paralleluniversen – in gewissem Sinne die Spitze eines Eisbergs. In der Sci-Fi-Parodie “Per Anhalter durch die Galaxis” wird entdeckt, dass die Antwort “42” lautet, und der schwierige Teil ist, die eigentliche Frage zu finden. Fragen nach Paralleluniversen mögen so tiefgründig erscheinen, wie Fragen nach der Realität nur sein können. Es gibt jedoch eine noch tiefere zugrunde liegende Frage: Es gibt zwei haltbare, aber diametral entgegengesetzte Paradigmen in Bezug auf die physikalische Realität und den Status der Mathematik, eine Dichotomie, die wohl bis auf Plato und Aristoteles zurückgeht, und die Frage ist, welches richtig ist.

• ARISTOTELISCHES PARADIGMA: Die subjektiv wahrgenommene Froschperspektive ist physikalisch real, und die Vogelperspektive und all ihre mathematische Sprache sind lediglich eine nützliche Näherung.
• PLATONISCHES PARADIGMA: Die Vogelperspektive (die mathematische Struktur) ist physikalisch real, und die Froschperspektive und all die menschliche Sprache, die wir verwenden, um sie zu beschreiben, ist lediglich eine nützliche Näherung zur Beschreibung unserer subjektiven Wahrnehmungen.

Was ist grundlegender – die Froschperspektive oder die Vogelperspektive? Was ist grundlegender – menschliche Sprache oder mathematische Sprache? Ihre Antwort wird bestimmen, wie Sie über Paralleluniversen denken. Wenn Sie das platonische Paradigma bevorzugen, sollten Sie Multiversen natürlich finden, da unser Gefühl, dass beispielsweise das Level III Multiversum “seltsam” ist, lediglich widerspiegelt, dass sich die Frosch- und Vogelperspektive extrem unterscheiden. Wir brechen die Symmetrie, indem wir letztere als seltsam bezeichnen, weil wir alle als Kinder mit dem aristotelischen Paradigma indoktriniert wurden, lange bevor wir überhaupt von Mathematik gehört haben – die platonische Sichtweise ist ein erworbener Geschmack!

Im zweiten (platonischen) Fall ist die gesamte Physik letztendlich ein mathematisches Problem, da ein unendlich intelligenter Mathematiker, der die grundlegenden Gleichungen des Kosmos erhält, im Prinzip die Froschperspektive berechnen könnte, d. h. berechnen könnte, welche selbstbewussten Beobachter das Universum enthalten würde, was sie wahrnehmen würden und welche Sprache sie erfinden würden, um ihre Wahrnehmungen einander zu beschreiben. Mit anderen Worten, es gibt eine “Theorie von Allem” (TOE) an der Spitze des Baums in Abbildung 7, deren Axiome rein mathematisch sind, da Postulate auf Englisch bezüglich der Interpretation ableitbar und somit redundant wären. Im aristotelischen Paradigma kann es andererseits niemals eine TOE geben, da man letztendlich nur bestimmte verbale Aussagen durch andere verbale Aussagen erklärt – dies ist als das Problem des unendlichen Regresses bekannt (Nozick 1981).