Hitting the Books: Wie man die wahre Natur des Multiversums aufdeckt

ichEs ist schwierig, den Zustand des Universums zu beschreiben, als das Ganze auf eine Größe komprimiert wurde, die etwas kleiner war als der Punkt am Ende dieses Satzes – da die Konzepte von Zeit und Raum buchstäblich noch nicht zutrafen. Aber diese Herausforderung hat nicht aufgehört, bahnbrechende theoretische Astrophysiker zu sein, Dr. Laura Mersini-Houghton, von der Suche nach Wissen am Rand des bekannten Universums und darüber hinaus. In ihrem neuen Buch Vor dem Urknallerzählt Mersini-Houghton von ihrem frühen Leben im kommunistischen Albanien, ihrer Karriere, als sie auf dem von Männern dominierten Gebiet der Astrophysik zur Prominenz aufstieg, und diskutiert ihre Forschungen zum Multiversum, die unser Verständnis der Realität grundlegend umschreiben könnten.

Auszug aus Vor Der Urknall: Der Ursprung des Universums und was dahinter liegt von Laura Mersini-Houghton. Herausgegeben von Mariner Books. Copyright © 2022 von Laura Mersini-Houghton. Alle Rechte vorbehalten.

Wissenschaftliche Untersuchungen von Problemen wie der Entstehung des Universums, die wir weder beobachten noch in einem Labor reproduzieren und testen können, ähneln der Detektivarbeit insofern, als sie sich sowohl auf Intuition als auch auf Beweise verlassen. Wie ein Detektiv können die Forscher intuitiv spüren, dass die Antwort nah ist, wenn sich die Teile des Puzzles zusammenfügen. Dieses Gefühl hatte ich als Rich und ich versuchte herauszufinden, wie wir unsere Theorie über das Multiversum testen könnten. Rational schien es ein langer Weg zu sein, aber intuitiv schien es erreichbar zu sein.

Endlich traf mich eine mögliche Lösung. Mir wurde klar, dass der Schlüssel zum Testen und Validieren dieser Theorie in der Quantenverschränkung verborgen war – denn Dekohärenz und Verschränkung waren zwei Seiten derselben Medaille! Ich könnte die Schöpfungsgeschichte bis zu ihren Wurzeln in der Quantenlandschaft zurückspulen, als unser Wellenuniversum mit anderen verstrickt war.

Ich wusste bereits, dass die Trennung – die Dekohärenz – der Zweige der Wellenfunktion des Universums (die dann zu individuellen Universen werden) durch ihre Verschränkung mit dem Umweltbad von Schwankungen ausgelöst wurde. Jetzt fragte ich mich, ob wir heute irgendwelche Spuren dieser frühen Verschränkung berechnen und finden könnten, die sich in unseren Himmel eingeprägt haben.

Das mag wie ein Widerspruch klingen. Wie könnte unser Universum all diese Äonen nach dem Urknall möglicherweise immer noch mit all den anderen Universen verstrickt sein? Unser Universum muss sich in seiner Quanten-Kindheit von ihnen getrennt haben. Aber als ich mit diesen Problemen rang, erkannte ich, dass es möglich war, ein Universum zu haben, das sich schon lange entkoppelt hatte, aber auch seine infantilen „Dellen“ beibehielt – geringfügige Formänderungen, die durch die Interaktion mit anderen überlebenden Universen verursacht wurden, mit denen es verstrickt war unsere in den frühesten Momenten – als identifizierbare Muttermale. Die Narben seiner anfänglichen Verstrickung sollten heute noch in unserem Universum zu sehen sein.

Der Schlüssel lag im Timing. Unser Wellenuniversum löste sich ungefähr zur gleichen Zeit auf, als die nächste Stufe, das Teilchenuniversum, seine eigene kosmische Inflation durchlief und ins Dasein trat. Alles, was wir heute an unserem Himmel beobachten, wurde aus den ursprünglichen Schwankungen gesät, die in diesen ersten Momenten erzeugt wurden, die in der kleinsten messbaren Zeiteinheit stattfinden, weit weniger als einer Sekunde. Im Prinzip hätten in jenen Momenten, in denen die Verstrickung ausgelöscht wurde, ihre Unterschriften auf der Inflation und ihren Schwankungen aufgeprägt werden können. Es bestand die Möglichkeit, dass sich in dieser kurzen Zeit die Art von Narben gebildet hatte, die ich mir vorgestellt hatte. Und wenn ja, sollten sie am Himmel sichtbar sein.

Zu verstehen, wie sich Narben durch Verstrickungen gebildet haben, ist weniger kompliziert, als Sie vielleicht denken. Ich begann damit, dass ich versuchte, mir ein mentales Bild von der Narbenbildung unseres Himmels durch die Verstrickung zu machen. Ich stellte mir alle überlebenden Universen aus den Zweigen der Wellenfunktion des Universums vor, einschließlich unseres, als ein Bündel von Teilchen, die sich um das Quantenmultiversum ausbreiten. Da sie alle Masse und Energie enthalten, interagieren (ziehen) sie gravitativ miteinander, so wie Newtons Apfel seine Bewegungsbahn durch Wechselwirkung mit der Erdmasse gekrümmt hatte und ihn so zum Boden führte. Der Apfel wurde jedoch auch vom Mond, der Sonne, allen anderen Planeten in unserem Sonnensystem und allen Sternen im Universum angezogen. Die Masse der Erde hat die stärkste Kraft, aber das bedeutet nicht, dass diese anderen Kräfte nicht existieren. Der Nettoeffekt, den die Verschränkung an unserem Himmel hinterlassen hat, wird durch das kombinierte Ziehen anderer Säuglingsuniversen an unserem Universum eingefangen. Ähnlich wie das schwache Ziehen von Sternen am berühmten Apfel sind die Anzeichen einer Verstrickung in unserem Universum derzeit im Vergleich zu den Anzeichen einer kosmischen Inflation unglaublich gering. Aber sie sind immer noch da!

Ich gebe es zu … Ich war begeistert von dem bloßen Gedanken, dass ich möglicherweise eine Möglichkeit hatte, einen Blick hinter unseren Horizont und vor den Urknall zu werfen! Durch meinen Vorschlag, die Verschränkung in unserem Himmel zu berechnen und zu verfolgen, habe ich sehr wohl zum allerersten Mal eine Möglichkeit gefunden, das Multiversum zu testen. Was mich an dieser Idee am meisten begeisterte, war ihr Potenzial, das möglich zu machen, was wir jahrhundertelang für unmöglich hielten – ein Beobachtungsfenster, um einen Blick in Raum und Zeit über unser Universum hinaus in das Multiversum zu werfen. Unser expandierendes Universum bietet das beste kosmische Labor, um Informationen über seine Anfänge zu finden, denn alles, was wir heute in unserem Universum in großem Maßstab beobachten, war auch zu Beginn vorhanden. Die Grundelemente unseres Universums verschwinden nicht mit der Zeit; sie skalieren einfach ihre Größe mit der Ausdehnung des Universums neu.

Und aus diesem Grund dachte ich daran, die Quantenverschränkung als Lackmustest für unsere Theorie zu verwenden: Die Quantentheorie enthält ein fast heiliges Prinzip, das als „Einheitlichkeit“ bekannt ist und besagt, dass keine Informationen über ein System jemals verloren gehen können. Einheitlichkeit ist ein Gesetz der Informationserhaltung. Es bedeutet, dass Spuren der früheren Quantenverschränkung unseres Universums mit den anderen überlebenden Universen auch heute noch vorhanden sein müssen. Daher kann Verschränkung trotz Dekohärenz niemals aus dem Gedächtnis unseres Universums ausgelöscht werden; es ist in seiner ursprünglichen DNA gespeichert. Darüber hinaus sind diese Zeichen in unserem Himmel seit seinen Anfängen kodiert, seit das Universum als Welle auf der Landschaft begann. Spuren dieser früheren Verstrickung würden sich einfach mit der Expansion des Universums ausdehnen, während das Universum zu einer viel größeren Version seines kindlichen Selbst wurde.

Ich war besorgt, dass diese Signaturen, die durch die Inflation und die Expansion des Universums gedehnt wurden, ziemlich schwach sein würden. Aber auf der Grundlage der Einheitlichkeit glaubte ich, dass sie, so schwach sie auch waren, irgendwo in unserem Himmel in Form lokaler Verletzungen oder Abweichungen von der durch die kosmische Inflation vorhergesagten Einheitlichkeit und Homogenität erhalten blieben.

Rich und ich beschlossen, die Auswirkungen der Quantenverschränkung auf unser Universum zu berechnen, um herauszufinden, ob irgendwelche Spuren zurückgelassen wurden, sie dann von der Kindheit bis in die Gegenwart vorzuspulen und Vorhersagen darüber abzuleiten, nach welcher Art von Narben wir in unserem Himmel suchen sollten . Wenn wir erkennen könnten, wo wir nach ihnen suchen müssten, könnten wir sie testen, indem wir sie mit tatsächlichen Beobachtungen vergleichen.

Rich und ich begannen diese Untersuchung mit der Hilfe eines Physikers in Tokio, Tomo Takahashi. Ich lernte Tomo zum ersten Mal 2004 an der UNC Chapel Hill kennen, als wir uns um ein Jahr überschnitten. Er war ein Postdoc, der kurz davor war, eine Fakultätsstelle in Japan anzunehmen, und ich war gerade an der UNC angekommen. Wir genossen die Interaktion und ich sah die hohen Standards, die Tomo für seine Arbeit und seine unglaubliche Liebe zum Detail hatte. Ich wusste, dass er mit dem Computersimulationsprogramm vertraut war, das wir brauchten, um die auf unserer Theorie basierenden Vorhersagen mit tatsächlichen Daten über Materie und Strahlungssignaturen im Universum zu vergleichen. 2005 rief ich Tomo an und er erklärte sich bereit, mit uns zusammenzuarbeiten.

Rich, Tomo und ich beschlossen, unsere Suche am besten im CMB zu beginnen – dem kosmischen Mikrowellenhintergrund, dem Nachglühen des Urknalls. CMB ist das älteste Licht im Universum, ein universeller „Äther“, der den gesamten Kosmos im Laufe seiner Geschichte durchdringt. Als solches enthält es eine Art exklusive Aufzeichnung der ersten Millisekunde im Leben des Universums. Und dieser stumme Zeuge der Schöpfung umgibt uns noch heute und ist damit ein unschätzbares kosmisches Labor.

Die Energie der CMB-Photonen in unserem gegenwärtigen Universum ist ziemlich niedrig; Ihre Frequenzen erreichen ihren Höhepunkt im Mikrowellenbereich (160 Gigahertz), ähnlich wie die Photonen in Ihrer Küchenmikrowelle, wenn Sie Ihr Essen erwärmen. Drei große internationale wissenschaftliche Experimente – die Satelliten COBE, WMAP und Planck (mit einem vierten auf dem Weg), die von den 1990er Jahren bis heute datieren – haben den CMB und seine viel schwächeren Schwankungen mit exquisiter Präzision gemessen. Wir begegnen sogar CMB-Photonen hier auf der Erde. Tatsächlich war das Sehen und Hören von CMB in der Ära alter Fernsehgeräte eine alltägliche Erfahrung: Beim Umschalten des Kanals erlebte der Zuschauer das CMB-Signal in Form von Rauschen – den verschwommenen, brummenden grauen und weißen Flecken, die auf dem Fernseher erschienen Bildschirm.

Aber wenn unser Universum nur aus Energie entstanden ist, was können wir dann in den CMB-Photonen sehen, die uns ein entstehendes Bild des Universums liefern? Hier liefert die Quantentheorie, insbesondere die Heisenbergsche Unschärferelation, die Antwort. Nach dem Unsicherheitsprinzip ist Quantenunsicherheit, die sich in Schwankungen der Anfangsenergie der Inflation zeigt, unvermeidlich. Wenn das Universum aufhört aufzublasen, wird es plötzlich mit Wellen von Quantenfluktuationen der Aufblasenergie gefüllt. Die gesamte Bandbreite von Fluktuationen, einige mit Masse und einige ohne, werden als Dichtestörungen bezeichnet. Die kürzeren Wellen in diesem Spektrum, die in das Universum passen, werden abhängig von ihrer Masse zu Photonen oder Teilchen (was das Phänomen des Welle-Teilchen-Dualismus widerspiegelt).

Die winzigen Erschütterungen im Gewebe des Universums, die schwache Wellen oder Vibrationen im Gravitationsfeld hervorrufen, die sogenannten Ur-Gravitationswellen, enthalten Informationen darüber, welches spezielle Inflationsmodell stattgefunden hat. Sie sind unglaublich klein, etwa ein Teil in etwa zehn Milliarden der Stärke des CMB-Spektrums, und daher viel schwieriger zu beobachten. Aber sie werden im CMB aufbewahrt.