5.6.8.2 Laura Mersini-Houghtons Theorie der Entstehung unseres Universums aus einem Multiversum

5.6.8.2 Laura Mersini-Houghtons Theorie der

Enstehung unseres Universums aus einem

Multiversum

Abb. 1 Laura Mersini-Houghton

Die international anerkannte albanisch – amerikanische Physikerin und Kosmologin Laura Mersini – Houghton (University of North Carolina) legte 2022 ein bahnbrechendes Buch zur Theorie des Multiversums mit dem Titel „Before the Big Bang: The Origin of Our Universe from the Multiverse“ vor.¹

1. Die stringtheoretische „Quanten-Landschaft“

(„quantum landscape“)

In ihrem Buch entwickelte Mersini-Houghton die Hypothese, dass wir auf einer Quantenlandschaft „sitzen“, „deren Spitzen und Täler eine Vielzahl anderer Universen verbergen und deren Natur das Geheimnis des Ursprungs der Existenz selbst birgt.“ (vgl. Abb. 2),²

Abb. 2 zeigt eine Quantenlandschaft [String Theory Landscape], „in der .. [man] Berge und Täler erkennen kann. Die Höhe jedes Teils dieser Landschaft entspricht der jeweiligen Energiedichte. Berge entsprechen hohen Energieniveaus, wo Inflation geschieht, wohingegen Täler niedrigeren Energiezuständen entsprechen, wo die Inflation endete und ein Blasenuniversum emergierte. .. Je niedriger ein Tal auf der Karte angeordnet ist, umso weniger Energie besitzt das korrespondierende Universum. .. [Ein] ganzes Universum, das auf der Karte in einem Energietal plaziert ist, kann durch die näheste Bergspitze quantentunneln und befindet sich dann in einem anderen Tal der Landschaft, [typischerweise] mit einem niedrigeren Energieniveau als das vorherige Tal. Es könnte auch auf ein höheres Energieniveau tunneln, was jedoch mathematisch extrem unwahrscheinlich ist. .. Somit hat sich also unser Universum in einem Energietal befunden mit der besonderen kosmologischen Konstante, deren Wert 10^-123 entspricht.“³

2. Die Entstehung unseres Universums

als Quantenwellenfunktion

Mersini-Houghtons grundlegende Idee lautet, dass „das Universum in dem frühesten Moment seiner Entstehung als eine Quantenwellenfunktion verstanden werden kann, eine Überlagerung verschränkter Teilwellen“ .., deren Aufspaltung, [durch] Aufhebung der Verschränkung, zur Entstehung zahlloser unterschiedlicher Universen, einschließlich unseres eigenen, führte.“ Mersini-Houghton stellt in diesem Zusammenhang auch die Frage, in welcher Weise andere Universen sich unserem eigenen Universum aufgeprägt haben.⁴

Die Hypothese Mersini – Houghtons wird natürlich durchaus kontrovers diskutiert und einige Physiker argumentieren, dass ihre Prognosen nicht zutreffen. Mersini – Houghton erwidert jedoch, „.. dass ihre Theorie durch Beobachtungen der Strahlung, die vom Big Bang übriggeblieben ist, bekannt als kosmische Hintergrundstrahlung [CMB], bestätigt würde.“ (vgl. 5.6.8.3) ⁵

3. Auf dem Wege zum Multiversum

Mersini – Houghton stützt ihre Theorie vorallem auf folgende Prämissen:

1. die Gültigkeit der Quantentheorie für das gesamte „Universum“/Multiversum und der kosmologischen Relevanz der Heisenbergschen Unschärferelation

2. die Interpretation der Viele-Welten Theorie Hugh Everetts (vgl. 4.0 Hugh Everetts Viele-Welten Interpretation der Quantentheorie), dass das gesamte Universum und Alles, was es beinhaltet „nur durch einen einzigen Satz von Regeln bestimmt ist, .. [die] Regeln der Quantentheorie.„⁶. Dazu zählt vorallem das Superpositions– und Verschränkungsprinzip sowie das Konzept des Quantentunnelns.

3. der Gültigkeit der Stringtheorie (M-Theorie) und des stringtheoretischen Konzeptes der „Quantenlandschaft“ (quantum landscape) für die Kosmologie.⁷

4. der Anwendbarkeit der im Anschluss an Everetts Theorie von Archibald Wheeler und Bryce DeWitt entwickelten Wheeler-DeWitt Formel zur Berechnung der Wellenfunktion des Universums.⁸

Ausgehend von dem Alter unseres Universums von 13.8 Milliarden Jahren stellte sich für Mersini-Houghton „die Frage nach dem Davor. Worin liegt der Ursprung unseres Universums? Ist die Zeit vor unserem Universum entstanden oder emergierte sie mit der Entstehung der Raumzeit? Ist die Entstehung unseres Universums ein singuläres Ereignis oder sind wir Teil eines umfassenderen Systems (Multiversums)?“⁹

4. Die (Un)Wahrscheinlichkeit der Entstehung unseres Universums

Der britische Mathematiker Roger Penrose hatte auf der Grundlage des 2. Hauptsatzes der Thermodynamik die Wahrscheinlichkeit für die Entstehung unseres Kosmos auf 10^{10 x-123} also auf nahezu Null, berechnet.¹⁰

Abb 3 Roger Penrose (2011)

Penroses Ergebnis stellte damit auch die allgemein akzeptierte Hypothese der kosmischen Inflation infrage.

„Was die inflationäre Exansion im Rahmen des kosmologischen Standardmodells – zumindest bislang – so unangreifbar [gemacht hatte war] die Tatsache, dass damit einige Gegebenheiten des Kosmos, die unter der Annahme eines linearen Größenwachstums nicht erklärbar [waren], zwangsläufig zustande gekommen sein [mussten].

Dazu gehören insbesondere die Gleichförmigkeit [Isotropie] der kosmischen Hintergrundstrahlung sowie die Lösung des Flachheits- und des Horizontproblems. Ferner erklärt die Inflations-Hypothese die Entstehung der Dichtefluktuationen, aus denen sich die großräumigen Strukturen entwickelt haben, indem die extreme Expansion ursprüngliche Quantenfluktuationen des Inflatonfeldes auf makroskopische Größe gedehnt haben soll. Im Rahmen des Urknallmodells scheint somit die kosmische Inflation eine zwar unbewiesene, aber unverzichtbare Hypothese zu sein.“¹¹

5. Die Geburt der Geburt der stringtheoretischen

Idee des Multiversums

Mersini-Houghton setzte sich zunächst mit der bisher gängigen Vorstellung auseinander, dass unser Universum singulär ist und durch eine Theorie für Alles letztlich umfassend erklärt werden kann. Die Multiversum – Theorie (MT) war zuerst weitgehend außerhalb der Mainstream Kosmologie, da man ihre Überprüfung für unmöglich hielt.¹²

Die Antwort auf die Frage nach dem Urzustand des Universums vor dem Big Bang folgte nach Mersini-Houghton aus der Anwendung der Quantentheorie auf das stringtheoretische Konzept der „Quantenlandschaft“.
Das aufgrund mathematischer Konsistenzbedingungen erforderliche Postulat, dass die Stringtheorie (M – Theorie) in 10 (Supersymmetrie) bzw. 11 Dimensionen (Supergravitation) „lebt“, von denen 6 (bzw. 7) kompaktifiziert, i.e. auf Planckgröße aufgerollt sind, sogenannte Calabi-Yau Mannigfaltigkeiten, führte zu einem atemberaubenden Ergebnis: die unterschiedlichen Wechselwirkungen von Quantenobjekten (Teilchen, Feldern, etc.) der vierdimensionalen Raumzeit unseres Kosmos mit unterschiedlichen Calabi-Yau Mannigfaltigkeiten erzeugen geschätzte 10^500-1000 unterschiedlichen Vakuuen [Physiken, bzw. unterschiedliche Universen]. Damit war die Idee eines möglichen Multiversums aus der Stringtheorie geboren.

6. Die Aufrechterhaltung der Hypothese der kosmischen Inflation

Die Berechnung Penroses hatte allerdings erhebliche Zweifel an der Gültigkeit der Theorie der kosmischen Inflation geweckt.“
„Der Hochenenergiezustand unseres Universums in Verbindung mit dem außerordentlich niedrigen Entropiezustand, den die kosmische Inflation postulierte, machte die Entstehung unseres Universums auf diese Weise extrem unwahrscheinlich.“ Auch, wenn Mersini – Houghton die Berechnung Penroses letztlich für zutreffend hielt, fand sie es dennoch wünschenswert, weiterhin an der Hypothese der kosmologischen Inflation wegen ihres hohen Erklärungswerte festzuhalten.“¹³

7. Erfordern die Berechnungen Penroses eine ganz

neue Theorie der Enstehung unseres Universums?

Die Anwendung der Allgemeinen Relativitätstheorie (ART) auf das Problem der Kosmogenese ermöglichte es die Entwicklung unseres Universums zurückzurechnen bis zu seinem mikroskopischen Anfang. Die ART prognostizierte jedoch, dass das Universum unter den Bedingungen der extrem hohen Energiedichte im Zeitpunkt der Schöpfung als Singularität begann, die die Struktur der Raumzeit als Schwarzes Loch abtrennte ..“ , wodurch die Expansion unseres Universums verhindert worden wäre.

„Der Zusammembruch der Einsteinschen Gleichungen am Anfang der Schöpfung ist als ‚Hawking-Penrose Singularität‚ bekannt: Die Zeit endet mit dieser Singularität; es gibt kein Davor .. Der Raum endet ebenfalls – es gibt kein Jenseits. Nach Hawking und Penrose verbietet die Natur Wissenschaftlern den Moment der Schöpfung zu erforschen, geschweige denn weiter zurück in die Vergangenheit zu gehen, da vor der Schöpfung nichts, absolut garnichts existierte.“¹⁴

Wenn jedoch die Theorie der kosmischen Inflation trotz der von Penrose berechneten Unwahrscheinlichkeit und des Hawking – Penrose Singularitätstheorems zutreffend war, woher stammte dann die Energie des Inflatons, das dem Universum eine exponentiale Expansion verlieh?¹⁵

8. Die Theorie der „Quantenlandschaft“ (quantum

landscape theory) und das Quantenuniversum

Die Antwort auf die Fage nach den energetischen Grundlagen der Inflationstheorie ergab sich für Mersini – Houghton aus der Verbindung von Stringtheorie und Quantentheorie.
Die Stringtheorie vermeidet die (Urknall) Singularität durch die Idee eindimensional ausgedehnter, schwingender Strings (offene und geschlossene Strings), die an die Stelle der bisher angenommenen Punktteilchen (Elementarteilchen) als kleinste sinnvollen Bausteine traten. Die Stringtheorie (M-Theorie) brachte das Konzept der Quantenlandschaft hervor, der Grundlage für Mersini – Houghtons Modell der Entstehung unseren Kosmos aus dem Multiversum.

Die Theorie der Quantenlandschaft wurde auch als „jüngstes Update der Big Bang Theorie“ beschrieben, die „aus Elementen der Stringtheorie und der kosmischen Inflation“ entstand.¹⁶

Das Konzept der Quantenlandschaft (vgl. Abb. 2) „bezieht sich auf eine Sammlung möglicher falscher Vakuua, die eine ‚Landschaft‘ auswählbarer Parameter definiert und unterschiedliche Kompaktifizierungen [Calabi – Yau Mannigfaltigkeiten] ermöglicht.¹⁷ Wie bereits erwähnt schätzt man die Zahl dieser unterschiedlichen Vakua auf 10⁵⁰⁰ oder sogar 10²⁷²⁰⁰.

Das anthropische Prinzip wie es z. B. von Frank Tipler vertreten wird, (vgl. 7.2 Modelle einer teleologisch-holistischen Evolution unseres Kosmos) behauptet, dass ein „Fine Tuning“ der Konstanten unseres Kosmos vorliege, i.e. dass die grundlegenden Parameter unseres Universums nicht zufällig seien, sondern in ihrer exakten Größe die Entwicklung des Lebens und des Menschen ermöglichten.¹⁸

Abb. 4 Frank Tipler, Photo: © Courtesy of Author

Die Theorie der Quantenlandschaft besagt in ihrer Konsequenz hingegen, dass das Fine Tuning Postulat entfallen kann, wenn die zahllosen Konfigurationen der Quantenlandschaft auch eine anthropische Landschaft beinhalteten, die „sich auf die Sammlung jener Teile der Landschaft bezieht, die geeignet sind, [in unserem Kosmos] Leben zu unterstützen.“¹⁹

Will man die Idee der Quantenlandschaft [String Theory Landscape] .. in eine konkrete physikalische Theorie implementieren„, so Mersini-Houghton, dann „ist es erforderlich ein Multiversum zu postulieren, in dem die fundamentalen physikalischen Parameter unterschiedliche Werte annehmen können.“

Die Anwendung der Quantentheorie auf die Entstehung unseres Universums führt nach Mersini-Houghton angesichts der Winzigkeit des Urknall-Universums zu der Notwendigkeit, den Anfangszustand des Kosmos als Quantenobjekt (Wellenpaket) zu betrachten, dessen Eigenschaften durch den quantenmechanischen Teilchen-Welle Dualismus und die probabilistische Unschärferrelation Heisenbergs bestimmt sind. Unser Kosmos ist also in seinem Urzustand ein „Quantenuniversum, in dem nichts mit Sicherheit bestimmt werden kann,²⁰ .. eine Wahrscheinlichkeitswelle, die sich aus Schrödingers Wellenfunktion ergibt.²¹

Abb. 5 Temperaturschwankungen in der Hintergrundstrahlung, aufgenommen durch die Raumsonde WMAP (Mission 2001–2010)

Wendet man das Heisenbergsche Unschärfeprinzip auf die Geburt des Quantenuniversums an, bedeutet dies, dass nicht prognostiziert werden kann, was konkret geschehen wird. Ereignisse können sich nur gemäß des Wahrscheinlichkeitsprinzips manifestieren.
Die Entstehung eines vierdimensionalen Universums aus der Energielandschaft der Stringtheorie mit seinen mindestens 10⁵⁰⁰ unterschiedlichen Energieniveaus [möglichen Universen], ist letzlich das Ergebnis einer „kosmischen Lotterie“.²²

Die Fragen, was das Universum startet und was vor unserer Zeit geschah, konnten also demnach nur beantwortet werden, wenn es eine „Auswahl möglicher Universen aus einem Reservoir von Möglichkeiten [‚dem Raum der Ausgangszustände von Universen‘]“ gab.²³

9. Wie begann unser Universum?

Unser Kosmos begann, folgt man Mersini-Houghton „als ein einziges, partikelartiges Objekt. .. Wegen der Welle-Teilchen Dualität der Quantenmechanik ..“ kann unser „Baby Universum .. auch als Bündel von Wellen, die in einem Wellenpaket dicht gepackt waren und damit einem Teilchen ähnelten“ betrachtet werden. „Diese Wellenpakete sind die Zweige der Wellenfunktion [vgl. 4.5.2 Wheeler-DeWitt Gleichung].. ²⁴

… Die Wellenfunktion des Universums läuft durch die Reihe der Energien der Quantenlandschaft“ … und ihre Zweige enkodieren jeweils individuelle Quantenwellenpackete, von der jedes ein potentielles Universum säen kann.“²⁵

10. Die Modellierung der Quantenlandschaft

„Die Modellierung der Quantenlandschaft erfolgt unter Berücksichtigung eines Superraums von Modulen ∅ als endliches Gitter mit N Orten und der Möglichkeit des Tunnelns zwischen benachbarten Orten als nähester Approximation zwischen benachtbarten Orten [vgl. auch „Superraum“, in: 4.5.2].
Dies führt zu disketen Lösungen, die Energiebänder erzeugen, deren wahrscheinlichste der niedrigste Zustand der Energiegrenze ist.
Somit prognostiziert das Model das Universum mit der kleinsten kosmologischen Konstante Λ ≅(^π/).²⁶

Die miteinander verschränkten Zweige der Quantenwelle des Universums „wandern“, so Mersini-Houghton, durch die Quantenlandschaft, „indem sie die Energie unterschiedlicher Energievakuua (Täler, Berge) aufnehmen, auf denen sie sich in der Landschaft „niederlassen“. Auf ihrem Weg zur Entstehung eines individuellen, klassischen Universums unterliegen die verschränkten Zweige der universellen Quantenwelle dem Prozess der Dekohärenz (vgl. 4.4), der durch die „Interaktion mit einem Bad von Quantenfluktuationen„ getriggert wird, wobei die dekohärierten Quantenzweige zwar ihre Verschränkung miteinander, nicht aber ihre Eigenschaften durch diesen „Messprozess“ verlieren. ²⁷

Mersini-Houghton fand weiterhin heraus, dass die Baby Universen, die mit sehr hoher Energie starten, mit höchster Wahrscheinlichkeit aus der Quantenlandschaft entstehen, was den astrophysikalischen Beobachtungen und der Theorie der kosmischen Inflation im Falle unseres Universums“ entspricht.²⁹

Der Unterschied zu Everetts Theorie liegt also darin, dass „nicht alle Zweige der Wellenfunktion des Universums die gleiche Chance besaßen einen Kosmos zu erzeugen; die Wahrscheinlichkeit jedes Zweiges ein Universum zu werden hing von dynamischen Selektionsregeln ab: von der Energie der Quantenlandschaft auf der der Zweig sich „niedergelassen“ hat und von der Menge der Quantenfluktuationen, die der in sich erzeugte.³⁰

11. Die Verifikation der Theorie Mersini-Houghtons

Die Suche nach evtl. noch vorhandenen Hinweisen auf ehemalige Verschränkungen unseres Kosmos mit anderen Universen vor dem Big Bang führte auf der Grundlage der „Unitarität„, – keine Information eines System kann verloren gehen – zur Prognose verschiedener „identifizierbarer Geburtsmale“ in der kosmischen Hintergrundstrahlung. Spuren der ehemaligen Verschränkung unseres Kosmos müssten erhalten, [auf dem kosmologischen Ereignishorizont] enkodiert und im Zuge der Expansion unseres Universums vergrößert worden sein als lokale Abweichungen oder Verletzungen der durch die kosmischen Inflation vorhergesagte Uniformität und Homogenität des Kosmos.³¹

Derartige „Avatare des Quantenlandschaft Multiversums“ wurden tatsächlich durch Beobachtung der Anomalien des CBM unseres Universums nachgewiesen, z. B. „der grosse primordiale kalte Fleck“ (vgl. Abb. 5), der 10% des Himmels umfasste.³²

1. Laura Mersini-Houghton, „Before the Big Bang: The Origin of Our Universe from the Multiverse“, The Bodley Head, London, 2022. ↩︎
2. Ib. ↩︎
3. ;Aleksei Klimkin, „The Landscape Universe“, Society of Modern Astronomy (SOMA), 30. Dezember 2014, [Digitale Ausgabe], URL: https://societyofmodernastronomy.wordpress.com/2014/12/30/the-landscape-multiverse/; vgl. zum Konzept der Quantenlandschaft auch: James Read^1·/Baptiste Le Bihan², „The landscape and the multiverse: What’s the problem?„, Synthese (2021), pp. 199: 7749–7771, [Digitale Ausgabe], URL: https://link.springer.com/content/pdf/10.1007/s11,229-021-03137-0.pdf ↩︎
4. Rowan Hooper, „The cosmologist who claims to have evidence for the multiverse“, in: NewScientist, Physics, 31 Oktober, 2022, [Digitale Ausgabe], https://www.newscientist.com/article/0-the-cosmologist-who-claims-to-have-evidence-for-the-multiverse ↩︎
5. Laura Mersini-Houghton, „Before the Big Bang: The Origin of Our Universe from the Multiverse“, 2022 ↩︎
6. Ib. pp. 89-93, 128, 131 secq. ↩︎
7. Ib. 108-111, 117-119, 151 ↩︎
8. Ib. 131-132, 136 ↩︎
9. Laura Mersini-Houghton, „Before the Big Bang: The Origin of Our Universe from the Multiverse“, 2022. ↩︎
10. Artikel „DIE WAHRSCHEINLICHKEITSRECHNUNG N“, in: Die Erschaffung des Universums, 2012, [Digitale Ausgabe], URL: https://erschaffungdesuniversums.wordpress.com/2012/04/30/die–wahrscheinlichkeitsrechnung-n-der/&xnbsp; ↩︎
11. Ib. pp. 6 secqq. ↩︎
12. Ib. pp. 116 secqq. ↩︎
13. Ib. pp. 14, 116 secqq. ↩︎
14. Ib. p. 25 ↩︎
15. Ib. pp. 33, 53 ↩︎
16. Ker Than, „The String Theory Landscape“, in: Stanford News, September 10, 2018, [Digitale Ausgabe], URL: https://news.stanford.edu/2018/09/10/string-theory-landscape/ ↩︎
17. „Falsches Vakuum“, in: Wikipedia, ,[Digitale Ausgabe], URL: https://wiki.edu.vn/wiki18/2021/01/11/falsches-vakuum-wikipedia/“ ↩︎
18. Artikel „Fine Tuning“, in: Stanford Encyclopedia of Philosophy, [Digitale Ausgabe], URL: https://plato.stanford.edu/entries/fine-tuning/; – vgl. Laura Mersini-Houghton, „Before the Big Bang: The Origin of Our Universe from the Multiverse“, 2022 pp. 154 secqq. ↩︎
19. Laura Mersini-Houghton, „Before the Big Bang: The Origin of Our Universe from the Multiverse“, 2022 ↩︎
20. Ib. pp. 54 secq. ↩︎
21. Ib.,p. 59 ↩︎
22. Cosmology II: A course on the formation of the cosmic microwave background and structures in the Universe: Learn the theory, get the physical understanding and make your own CMB code: Overview: Milestone IV, [Digitale Ausgabe], URL: https://cmb.wintherscoming.no/milestone4.php#Theory ↩︎
23. Ib. 108-111, 117-119, 151 ↩︎
24. Ib. 131-132, 136 ↩︎
25. Laura Mersini-Houghton, „Before the Big Bang: The Origin of Our Universe from the Multiverse“, 2022, S. 119 ↩︎
26. A. Kobakhidze und Laura Mersini-Houghton, Birth of the Universe from the Landscape of String Theory, Universität Chapel Hill, 2018, [Digitale Ausgabe], URL: 0410213,pdf ↩︎
27. Ib. pp. 14, 116 secqq. ↩︎
28. Ib. p. 25 ↩︎
29. Laura Mersini-Houghton, Before the Big Bang; The Origin of Our Universe from the Multiverse, p. 149, 2022 ↩︎
30. Ib. p. 163 ↩︎
31. Laura Mersini-Houghton, Before the Big Bang; The Origin of Our Universe from the Multiverse, pp. 171 secq., 2022; vgl. auch R. Holman, L. Mersini-Houghton, T. T. Takahashi, „Cosmological Avatars of the Landscape II: CBM and LSS Signatures“, Carnegie Mellon University, UNC Chapel Hill, Saga University, 13. Dezember 2006, pp. 168 ↩︎