Ein Ort voller Materie und Energie in verschiedenen Formen, die sich auf der Bühne der Raumzeit gemäß den Gesetzen der Physik abspielen. Ein Beispiel dafür ist diese Aufnahme des Hubble-Weltraumteleskops vom Galaxienhaufen IDCS J1426.5+3508. Doch wie viel muss man wegnehmen, bis wirklich nichts mehr übrig bleibt? NASA, ESA und M. Brodwin (University of Missouri)

Wenn wir uns heute in unserer Welt und im Universum umsehen, sprechen und denken wir über all die Dinge nach, die es darin gibt. Diese reichen von Teilchen, Atomen und Menschen bis hin zu Planeten, Sternen, Galaxien und den größten Strukturen überhaupt. Je nachdem, wofür wir uns interessieren, sprechen wir über Gas, Staub, Strahlung, schwarze Löcher oder sogar dunkle Materie. Aber all die Dinge, die wir heute sehen, beobachten oder von denen wir auf ihre Existenz schließen, gibt es vielleicht nicht schon immer. Einige von ihnen sind aus bereits vorhandener Materie entstanden, andere wiederum sind scheinbar aus dem Nichts entstanden. Es überrascht nicht, dass sich nicht alle darüber einig sind, was wir aus wissenschaftlicher Sicht meinen, wenn wir darüber sprechen, was „Nichts“ eigentlich ist. Je nachdem, wen man fragt (oder wann man ihn fragt), kann man eine von vier verschiedenen Bedeutungen erhalten. Hier ist, warum sie alle relevant sind.

Andere Galaxien in ihrer Umgebung für 100 Millionen Lichtjahre in jede Richtung. Dennoch ist dies keine echte Realisierung des leeren Raums. ESA/Hubble & NASA und N. Gorin (STScI); Danksagung: Judy Schmidt

1.) Eine Zeit, in der die „Sache“, die dich interessiert, noch nicht existierte. Wie hat das Universum Planeten geschaffen? Wie sieht es mit Sternen aus? Wie wäre es mit einer Asymmetrie der Materie? Diese Dinge waren nicht immer vorhanden, sondern mussten erst erschaffen werden. Wenn der Mechanismus bekannt ist, sagen wir normalerweise, dass unser „Ding“ aus etwas und nicht aus dem Nichts entstanden ist. Planeten entstanden aus den recycelten Überresten früherer Sterngenerationen, bei denen die schweren Elemente, aus denen ihre Kerne und festen Oberflächen bestehen, gebildet und dann wieder in das interstellare Medium ausgestoßen wurden. Sterne entstehen aus sich zusammenziehenden Gaswolken, die Bereiche enthalten, die dicht und heiß genug sind, um die Kernfusion zu zünden. Sowohl Planeten als auch Sterne sind Materie, die aus bereits existierenden Formen von Materie hervorgegangen ist; sie sind etwas, das aus etwas und nicht aus nichts entstanden ist.

Strahlung, wobei irgendwann etwas mehr Materie entstand, was zu unserem heutigen Universum führte. Wie es zu dieser Asymmetrie kam oder wie sie entstand, wo zunächst keine Asymmetrie vorhanden war, ist eine offene Frage. E. Siegel / Jenseits der Galaxis

Aber die Materie, die wir heute haben, ist nicht aus bereits vorhandener Materie entstanden. Irgendwann in der fernen Vergangenheit bestand das Universum aus gleichen Mengen von Materie und Antimaterie; die von uns entdeckten physikalischen Gesetze ermöglichen es uns nur, sie in gleichen Mengen zu erzeugen. Das heutige Universum besteht jedoch überwiegend aus Materie und nicht aus Antimaterie, wobei jede der Milliarden und Abermilliarden von Galaxien, die wir kennen, aus Materie und nicht aus Antimaterie besteht. Woher kommt die Asymmetrie unserer Materie? Aus einem zuvor symmetrischen Zustand; aus einem Zustand, in dem Materie und Antimaterie in gleichen Mengen vorhanden waren. Aus einer Zeit, in der es keine Asymmetrie gab. Nach Ansicht einiger bedeutet dies, dass die heutige Materie aus dem Nichts entstanden ist, obwohl andere, die sich strikt an eine der anderen Definitionen halten, dies bestreiten.

Doch niemand bestreitet, dass das wissenschaftliche Problem der Baryogenese oder der Ursprung der Materie-Antimaterie-Asymmetrie eines der drängendsten Rätsel der heutigen theoretischen Physik ist. Es gibt viele Ideen und Mechanismen, wie unsere Materie (und nicht die Antimaterie) entstanden ist, aber uns fehlen die Beweise, um einen Sieger zu küren.

Für drei der vier Kräfte (mit Ausnahme der Schwerkraft), die Gesamtheit der entdeckten Teilchen und alle ihre Wechselwirkungen. Aus der zugehörigen Quantenfeldtheorie können wir auch die Eigenschaften des Quantenvakuums herausfinden. Contemporary Physics Education Project / DOE / NSF / LBNL

2.) Leerer Raum. Denken Sie an all die „Dinge“, die heute im Universum existieren. Denken Sie an jeden fundamentalen Bestandteil der Materie, jedes Strahlungsquant, jedes schwarze Loch, jede Masse, jedes Teilchen und jedes Antiteilchen. Nun stellen Sie sich vor, Sie würden sie alle entfernen. Stellen Sie sich vor, Sie würden sie irgendwie aus dem Universum herausnehmen und nichts als leeren Raum zurücklassen. Was bliebe dann übrig? Manche nennen das „Nichts“ und sind mit dieser Definition ganz zufrieden.

Rechnung mit virtuellen Teilchen im Quantenvakuum. Sogar im leeren Raum ist diese Vakuumenergie ungleich Null. Derek Leinweber

Die Entität, die als Raumzeit bekannt ist, ist immer noch da, ebenso wie die Gesetze der Physik. Alle Felder, die im leeren Raum vorhanden sind, vom Higgs-Feld über Gravitationsfelder bis hin zu den Quantenfeldern, die wir uns oft als Teilchen-Antiteilchen-Paare vorstellen, die ein- und ausgehen, sind immer noch da. Physikalische Gesetze wie die Quantenfeldtheorie gibt es immer noch; die Allgemeine Relativitätstheorie gibt es immer noch; die fundamentalen Konstanten gibt es nicht nur immer noch, sondern sie haben auch dieselben Werte wie heute. Und das Vakuum des leeren Raums selbst hat immer noch eine Nullpunktenergie, die nicht gleich Null ist. Diese manifestiert sich heute als dunkle Energie und war in der fernen Vergangenheit mit einem ganz anderen Wert ungleich Null die treibende Kraft hinter der kosmologischen Inflation. Wenn man davon spricht, dass das Universum aus dem Nichts entstanden ist, bezieht man sich auf diese Art von „Nichts“: den heißen Urknall, der durch die Inflation entstanden ist.

Materie, Energie oder Krümmung jeglicher Art. Wenn dieser Raum die niedrigste mögliche Nullpunktenergie hat, ist es nicht möglich, ihn weiter zu reduzieren. Amber Stuver / Living Ligo

3.) Leere Raumzeit im niedrigsten möglichen Energiezustand. Was wäre, wenn die Nullpunktenergie des Universums auf ihren wahren Grundzustand reduziert würde? Als die Inflation zu Ende ging, fiel die Vakuumenergie des Universums stark ab: von der Inflationsskala auf den heutigen Wert. Dieser Abfall der Energie des leeren Raums war verantwortlich für den massiven Anstieg der Teilchenenergie und den Ursprung des heißen Urknalls. Es gibt jedoch keine Garantie dafür, dass wir uns jetzt im wahren Zustand mit der niedrigsten Energie befinden; es ist möglich, dass wir uns lediglich in einem falschen Vakuumzustand befinden und das wahre Vakuum erst nach einem weiteren katastrophalen, das Universum verändernden Übergang auf uns wartet.

Die Energie E ist höher als die des echten Vakuums oder des Grundzustands, aber es gibt eine Barriere, die das Feld daran hindert, klassisch zum echten Vakuum hinunterzurollen. Während der Inflation befand sich das Universum nicht in einem echten Vakuumzustand, und heute ist es das vielleicht auch nicht. Wikimedia Commons Benutzer Stannered

Wenn man den wahren Grundzustand erreicht und alle Materie, Energie, Strahlung und Raumzeitwellen aus dem Universum entfernt hätte, was bliebe dann noch übrig? Das ist vielleicht die ultimative Vorstellung davon, was das „physische Nichts“ sein kann: eine Bühne für das Universum, auf der es sich abspielen kann. Es mag keine Spieler, keine Besetzung, kein Drehbuch und keine Szene geben, aber im großen Abgrund des Nichts gibt es immer noch eine Bühne. Das kosmische Vakuum wäre das Minimum; es gäbe keine Hoffnung, Arbeit, Energie oder echte Teilchen aus diesem Vakuum zu gewinnen, aber die Raumzeit und die Gesetze der Physik wären immer noch da. Wenn man diesem Universum ein Teilchen hinzufügt, würde es sich theoretisch nicht so sehr von einem isolierten Teilchen unterscheiden, das heute in unserem Universum existiert.

Das Universum verdankt seine Entstehung dem heißen Urknall. Noch grundlegender: Das Universum, das wir heute haben, kann nur aufgrund der Eigenschaften der Raumzeit und der Gesetze der Physik entstehen. Ohne sie kann es keine Existenz in irgendeiner Form geben. NASA / GSFC

4.) Das, was übrig bleibt, wenn man das gesamte Universum und die Gesetze, die es regieren, wegnimmt. Schließlich kann man sich vorstellen, alles zu entfernen, einschließlich Raum, Zeit und die Regeln, die jede Art von Teilchen oder Energiequanten regieren. Dadurch entsteht eine Art „Nichts“, für das die Physiker keine Definition haben. Dies geht über das „Nichts“, wie es im Universum existiert, hinaus und stellt stattdessen eine Art philosophisches, absolutes Nichts dar. Aber im Kontext der Physik können wir mit dieser Art von Nichts nichts anfangen. Wir müssten annehmen, dass es so etwas wie einen Zustand außerhalb von Raum und Zeit gibt, in dem die Raumzeit aus diesem hypothetischen Zustand des wahren Nichts entstehen kann.

Aber ist das möglich? Wie kann die Raumzeit an einem bestimmten Ort entstehen, wenn es so etwas wie Raum nicht gibt? Wie kann man den Anfang der Zeit erschaffen, wenn es kein Konzept von etwas wie „vorher“ gibt, ohne dass die Zeit bereits existiert? Und woher kämen dann die Regeln für die Teilchen und ihre Wechselwirkungen? Bedeutet diese endgültige Definition von „Nichts“ überhaupt etwas, oder ist sie nur ein logisches Konstrukt ohne eigene physikalische Bedeutung?

Die Skala wird während der Inflation über das Universum gedehnt, was zu Unvollkommenheiten in der Dichte und bei Gravitationswellen führt. Obwohl der sich aufblähende Raum in vielerlei Hinsicht zu Recht als „Nichts“ bezeichnet werden kann, sind nicht alle dieser Meinung. E. Siegel, mit Bildern, die von ESA/Planck und der DoE/NASA/ NSF interagency task force on CMB research

Es gibt hier keinen Konsens. Da die Sprache so mehrdeutig ist, kann man „nichts“ sagen und sich legitimerweise auf irgendetwas davon beziehen, wobei Puristen nur darauf warten, einen anzuschreien, wenn man es wagt, „nichts“ in einem Kontext zu verwenden, der weniger rein ist als ihre Definition. Wenn etwas grundlegend entstanden ist, wo vorher nichts war, kann man es als Nichts bezeichnen, aber nicht jeder wird damit einverstanden sein. Wenn man alle Materie, Antimaterie, Strahlung und sogar die Raumkrümmung wegnimmt, kann man sicherlich behaupten, dass es sich dabei um das „Nichts“ handelt, aber es gibt immer noch einige „Dinge“, die vorhanden sind. Wenn man dann die dem Raum selbst innewohnende Energie wegnimmt und nur noch die Raumzeit und die Naturgesetze übrig lässt, kann man auch das als „Nichts“ bezeichnen. Aber aus philosophischer Sicht werden einige Leute immer noch unzufrieden sein. Nur wenn man auch das wegnimmt, werden sich einige schließlich damit abfinden, ein solches Gebilde als „Nichts“ zu bezeichnen.“

Das Standardmodell wird als Folge der physikalischen Gesetze vorhergesagt. Kann ohne diese Gesetze oder ohne das Stadium der Raumzeit überhaupt etwas Sinnvolles entstehen? E. Siegel / Beyond The Galaxy

Wer hat also recht? Sie alle, auf ihre eigene Weise. Der Schlüssel liegt nicht darin, darüber zu streiten oder zu kämpfen, was „Nichts“ wirklich ist, sondern diese Definitionen zu akzeptieren und zu verstehen, so wie die Menschen sie verwenden. Es ist von größter Wichtigkeit, nicht eine Bedeutung mit einer anderen zu verwechseln oder sich darüber zu streiten, warum es falsch ist, ein Wort auf eine bestimmte Weise zu verwenden. Wenn jemand – insbesondere ein Wissenschaftler – das Wort „Nichts“ sagt, sollten Sie stattdessen versuchen zu verstehen, welche Bedeutung er verwendet und welches Phänomen er damit zu erklären versucht. Denn so weit unsere Vorstellungskraft auch reicht, die einzig wahre Form des Wissens, die wir uns über irgendetwas erhoffen können, beruht darauf, dass wir es in unserer eigenen physischen Realität auf die Probe stellen. Alles andere, und sei es noch so logisch, ist lediglich ein Konstrukt unseres Verstandes.

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