Feinabstimmung der Naturkonstanten

Als Feinabstimmung des Universums wird in der Kosmologie die genaue Abstimmung der Größe von Naturkonstanten in den gegenwärtigen physikalischen Theorien bezeichnet, die notwendig zu sein scheint, um den physikalischen Zustand des beobachtbaren Universums zu erklären. Es ist umstritten, ob es diese Feinabstimmung tatsächlich gibt, ob diese notwendig für die Erklärung der Natur ist, oder ob diese nur eine Folge unzureichender, unvollständiger Theorien ist. In der englischsprachigen Literatur wird statt „Feinabstimmung“ oft auch der Begriff „Anthropic Coincidence“ (dt: Anthropische Koinzidenz) verwendet.

Konstanten, für welche Feinabstimmung postuliert wurde

Für folgende physikalischen Konstanten wird eine mögliche Feinabstimmung diskutiert:^[1][2]

Feinabstimmung der Expansionsrate

Die Expansion des Universums darf einerseits nicht so schwach sein, dass das Universum nach wenigen Jahrmillionen wieder kollabiert, andererseits nicht so stark bzw. die Materieverteilung nicht so dünn sein, dass die Entstehung von Sonnen und Galaxien verhindert wird. Im ursprünglichen kosmologischen Standardmodell, welches noch nicht die heutige Inflationstheorie integrierte, wird die Expansionsrate allein durch die Massendichte bestimmt, die demnach zu Beginn des Universums auf den winzigen Faktor von 1:10⁵⁷ genau mit der so genannten kritischen Dichte übereingestimmt haben muss, um die Entstehung von Sonnensystemen und Galaxien zu ermöglichen. Die Inflationstheorie würde diese Feinabstimmung unnötig machen, allerdings wäre hier wiederum eine Feinabstimmung der kosmologischen Konstante notwendig.

Feinabstimmung der kosmologischen Konstante

Die kosmologische Konstante wurde ursprünglich von Albert Einstein in seine Allgemeine Relativitätstheorie eingeführt, da nur diese das, nach der zu seiner Zeit gängigen Meinung der Naturwissenschaft, stabile Universum ermöglichte. Durch die Entdeckung Edwin Hubbles, dass unser Universum nicht stabil ist, sondern sich ausdehnt, entfiel die Notwendigkeit einer kosmologischen Konstante und Einstein soll sie als „die größte Eselei meines Lebens“ bezeichnet haben.

Die in den 1980ern entwickelte Inflationstheorie und die 1998 gemachte Beobachtung, dass sich unser Universum beschleunigt ausdehnt,^[3] haben zur Entwicklung von Erklärungsmodellen geführt, welche die kosmologische Konstante wieder nötig machen. Die Inflationstheorie und die Theorie zur Erklärung der beschleunigten Ausdehnung, benötigen eine sogenannte Dunkle Energie, welche als Vakuumenergie – hervorgerufen durch eine von Null verschiedene kosmologische Konstante – interpretiert werden kann. Allerdings müsste in diesem Fall die kosmologische Konstante zu Beginn des Universums direkt nach der „inflationären Phase“ zwar verschieden von Null, aber gleichzeitig 1:10¹²⁰ fach kleiner als ihr heutiger Wert gewesen sein.^[4] Dies entspricht einer extrem winzigen Vakuumenergiedichte. Selbst kleinste Abweichungen von diesem Wert würden, nach diesen Erklärungsmodellen, dazu führen, dass unser heutiges Universum eine stark gekrümmte Raumzeit aufweisen würde und dass Sterne und Planeten nicht möglich wären.^[5]

Ob eine Feinabstimmung nötig ist, ist zweifelhaft. Es wurden Theorien entwickelt, in denen die Dunkle Energie nicht mehr mit einer gekrümmten Raumzeit verbunden ist, sondern durch ein Skalarfeld – auch Quintessenz genannt – hervorgerufen wird. In diesen Theorien wird keine kosmologische Konstante benötigt.^[6][7]

Feinabstimmung der Massen von Proton und Elektron sowie Stärken von elektromagnetischer Kraft und starker Kernkraft

Max Born war der Auffassung, dass bei annähernd gleicher Protonen- und Neutronenmasse die Eigenschaften aller atomaren und molekularen Systeme im Wesentlichen durch zwei Parameter bestimmt sind: das Massenverhältnis von Elektron zu Proton, sowie die Feinstrukturkonstante, welche die Stärke der elektromagnetischen Wechselwirkung angibt. Wird das Verhältnis von Elektronmasse zu Protonmasse in einem Diagramm über die Feinstrukturkonstante aufgetragen, so kann man nach Tegmark^[8] einen lokalen Bereich angeben, außerhalb dessen kein Leben möglich ist, das dem unseren gleicht. Beispielsweise würden bei einem zu hohen Massenverhältnis wegen zu großer Kernfluktuationen keine stabilen molekularen Systeme existieren können; im Fall einer zu großen Feinstrukturkonstante könnten keine Sterne existieren. Tegmark schließt jedoch nicht aus, dass es viele lokale Bereiche im Parameterraum geben könne, in denen andersartiges Leben möglich sei.

W. H. Press und A. Lightman haben 1983 das Modell von Max Born erweitert und zeigten, dass die wesentlichen Eigenschaften der makrophysischen Phänomene durch vier Größen bestimmt werden: die Elektronenmasse, die Protonenmasse, die Stärke der elektromagnetischen Kraft, sowie die Stärke der starken Kraft.^[9] Victor J. Stenger kommt durch Analysen und Computersimulationen, in denen er - im Gegensatz zu Tegmark - alle vier der von Press und Lightman benannten Konstanten gleichzeitig variieren lässt, zu dem Ergebnis, dass viel größere Schwankungen der Konstanten erlaubt seien. Analysen von hundert Universen, in denen er die Konstanten zufällig in einem Bereich von zehn Größenordnungen (10¹⁰) schwanken lässt, führten in mehr als der Hälfte der Fälle zu Sternen mit einer Lebensdauer von mehr als einer Milliarde Jahren. Dies könne man, so Stenger, wohl kaum Feinabstimmung nennen.^[10]

Produktion von Kohlenstoff

Die Kernenergie-Niveaus von Beryllium-8 werden als wesentlich für das Ausmaß und die Geschwindigkeit der Nukleosynthese von Kohlenstoff-12 in den Sternen und damit für die Entstehung kohlenstoffbasierten Lebens angesehen. (siehe auch Drei-Alpha-Prozess). Fred Hoyle hatte 1954 die, später experimentell bestätigte, genaue Lage der Kernenergie-Niveaus von Beryllium theoretisch vorhergesagt. Vielfach wird die Lage dieses Niveaus als feinabgestimmt behauptet.

Die Lagen der Energieniveaus sind zwar keine fundamentalen Naturkonstanten, hängen jedoch von diesen ab. Eine Änderung dieser Niveaus kann nur entweder mit einer Änderung der Naturkonstanten oder einer Änderung der zugrunde liegenden physikalischen Theorien einhergehen. Eine Änderung der Naturkonstanten, wie auch der Theorien, ändert jedoch nicht nur die Lage der Kernenergie-Niveaus von Beryllium, sondern auch viele andere Eigenschaften aller Elemente; so könnten möglicherweise auch andere Entwicklungszweige hin zu Kohlenstoff entstehen.

‚Feinabstimmung‘ der Dimensionen

Mathematisch könnte ein Universum beliebig viele Dimensionen haben. Komplexe Strukturen scheinen jedoch nur in mehr als zwei Dimensionen möglich.^[11] Bei einem Universum mit mehr als drei räumlichen Dimensionen sind sowohl Atome^[12] als auch Planetenbahnen^[13] instabil. Nimmt man jedoch an, dass in einem andersartigen Universum auch andere Naturgesetze gültig wären, dann könnten auch in höherdimensionalen Universen stabile Atome oder aufgrund anderer Bewegungsgesetze stabile Planetenbahnen möglich sein.^[8] Grundsätzlich müssten die Dimensionen nicht auf eine natürliche Anzahl beschränkt sein. Mathematisch wären auch Fraktale Dimensionen von Universen darstellbar; die Annahme, dass Leben nur in dem – für uns beobachtbaren – vierdimensionalen Raum-Zeit-Kontinuum möglich sei, könnte auch Resultat des Anthropischen Prinzips sein.

Vorgeschlagene Erklärungen

Zweifel an der Existenz einer Feinabstimmung

Es wird vielfach bestritten, dass eine Feinabstimmung überhaupt existiert. Gibt es diese nicht, dann gäbe es folgerichtig auch keinen Erklärungsbedarf. Sofern es sie gibt, ist unklar, in wieweit diese überhaupt beweisbar wäre.^[10]

Die Überlegungen für mögliche Universen konzentrieren sich weitestgehend darauf, wie die Natur beschaffen sein muss, um die Voraussetzungen für kohlenstoffbasiertes Leben – so wie es sich in unserem Planetensystem entwickelte konnte − zu generieren (Kohlenstoffchauvinismus). Bei Änderungen der Naturkonstanten würden möglicherweise keine Sterne entstehen, welche langlebig genug wären, um die Evolution von kohlenstoffbasiertem Leben zuzulassen. Oder aber es würde eventuell kein oder zu wenig Kohlenstoff gebildet werden; möglicherweise könnten nicht einmal atomare oder stabile Strukturen entstehen. Jedoch sind nicht einmal für die gegebenen Naturkonstanten alle stabilen Strukturen und Umgebungen bekannt, welche als Alternative für Kohlenstoff und ein lebensfreundliches planetares Umfeld in Frage kommen. Beispielsweise wird diskutiert, ob Leben auf Siliziumbasis möglich ist, obwohl Silizium nicht so viele Verbindungen eingehen kann wie Kohlenstoff. Ändert man die Naturkonstanten, so ändern sich möglicherweise auch die Eigenschaften von Silizium und aller anderen Elemente, was dazu führen könnte, dass Silizium oder ein anderes Element Eigenschaften erlangt, die denen von Kohlenstoff gleichkommen. Es kann auch nicht ausgeschlossen werden, dass bei Konstantenänderung gänzlich andere nichtatomare (bzw. nichtmolekulare) stabile Strukturen möglich werden, welche in vielfältiger Weise Verbindungen eingehen können und damit als Basis für Leben in Frage kommen. Auch könnten neue stabile Umgebungen möglich werden, welche als Alternative zu einer planetaren Umgebung Raum für die Entwicklung von Leben bieten können.

Es ist also fragwürdig, inwiefern eine Beweisfähigkeit einer Feinabstimmung existiert, da eventuell nicht alle möglichen Universen benannt werden können, in denen – unter anderen Voraussetzungen – Leben entstehen könnte. Deshalb wird versucht, anstatt einige spezieller Voraussetzungen für kohlenstoffbasiertes Leben zu benennen, generelle Annahmen zu formulieren, welche für alle Formen von Leben notwendig sind. So wird beispielsweise das Vorhandensein von Entropiegradienten oft als eine solche grundlegende Voraussetzung für alle Formen von Leben angesehen. Könnte man für bestimmte Konstanten zeigen, dass bereits bei kleiner Variation keine Entropiegradienten mehr im Universum existieren können – beispielsweise wenn nur homogenes, verdünntes Wasserstoffgas existieren könnte – wäre das ein starkes Argument für eine tatsächliche Feinabstimmung im Rahmen der gegenwärtigen Standardtheorien. Dies ist bisher aber nicht gelungen.^[14]

Falls die Feinabstimmung der gegenwärtigen physikalischen Theorien existiert und ein allgemein akzeptierter Beweis dafür vorgelegt werden würde, wäre nur eine stärkere Begründung für die Existenz unseres Universums befriedigend; eine Erklärung, die die Notwendigkeit eines Zufalls ausschließt. Alle potenziellen Erklärungen sind zur Zeit in drei Kategorien unterteilbar, deren Übergänge fließend sind und die sich nicht unbedingt gegenseitig ausschließen:

Fundamentalere Theorie ohne feinabgestimmte Konstanten

Die gegenwärtigen physikalischen Theorien sind nicht fundamental, sondern nur Annäherungen an noch zu entwickelnde, umfassende physikalische Theorien. Die scheinbare Feinabstimmung wäre dann eventuell nur ein Artefakt der Unvollkommenkeit des zurzeit verfügbaren Theoriengebäudes. Die Theorien sind unvollständig und müssen deswegen feinabgestimmt werden, damit sie das lebensfreundliche Universum korrekt beschreiben. Man kann die hohe Anzahl der Konstanten in den gegenwärtigen Theorien dann als eine Art Stellschraube auffassen. Man erwartet, dass fundamentalere Theorien entweder gar keine oder nur sehr wenige Konstanten aufweisen werden. Die Feinabstimmung der im Moment nötigen Naturkonstanten, würde demnach zwar tatsächlich auf eine Schöpfung hindeuten, aber nicht wie bei einer theologischen oder teleologischen Erklärung als Schöpfung des Universums durch einen Schöpfergott oder durch einem der Natur innewohnenden Drang, sondern ganz banal als Folge der Schöpfung einer Theorie durch die Naturwissenschaft. Man sollte dann erwarten, dass diese Artefakte verschwinden, wenn man diese fundamentalen, umfassenden Theorien gefunden hat. Erst wenn dann immer noch eine Feinabstimmung vorhanden wäre, könnte man schließen, dass diese eine der Natur innewohnende Eigenschaft ist. Im Fall einer fundamentalen Theorie ohne Feinabstimmung würden dann vielleicht alle oder zumindest ein großer Anteil aller möglichen Universen die nötige Komplexität für Leben aufweisen und nicht nur ein verschwindend kleiner Anteil wie im Fall vorhandenen Feinabstimmung. Als Kandidat für so eine grundlegende Theorie wird unter anderem die Superstringtheorie gehandelt.^[15]

Ensemble-Hypothese und Anthropisches Prinzip

Eine zufällige Feinabstimmung wird gewöhnlich als mit einer hohen Unwahrscheinlichkeit verbunden angesehen. Dagegen argumentiert das Anthropische Prinzip, dass nur solche Universen oder Teile davon beobachtbar sind, in denen wir existieren können; das heißt eine statistische Unabhängigkeit zwischen unserer Existenz und der Beobachtung der Feinabstimmung als Voraussetzung statistischer Argumentationen liegt nicht vor. Aussagen über die Wahrscheinlichkeit beziehungsweise die Unwahrscheinlichkeit einer Feinabstimmung können deswegen nicht oder nur mit Zusatzannahmen gemacht werden. Eine oft vertretene Zusatzannahme, die zusammen mit dem Anthropischen Prinzip eine Erklärung anbieten könnte, ist die Hypothese eines Multiversums: Anstatt eines einzigen Universums gibt es sehr viele oder gar unendlich viele Paralleluniversen, mit unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften. Unser Universum wäre dann nur eines von vielen -eines in dem die richtigen Bedingungen Leben ermöglichen. Es wird diskutiert ob ein Multiversum selbst auch feinabgestimmte Naturkonstanten haben müsste, so dass dies nur eine Verlagerung der Fragestellung bedeuten würde; der Philosoph Nick Bostrom hingegen verneint dies.^[16]

Eine ähnliche Erklärung wäre das Postulat eines hinreichend großen einzelnen Universums, in dem unbeobachtbare Teile andere physikalische Eigenschaften aufweisen.^[17]

Teleologische und theologische Erklärung

Befürworter dieser Hypothese gehen davon aus, dass das Universum entweder durch ein teleologisches Prinzip oder auch durch ein bewusstes, intelligentes Wesen, z. B. einen Gott im theologischen Sinn, auf ein bestimmtes Ziel hin ausgerichtet sei und dass das Universum deshalb lebensfreundliche Bedingungen aufweise. Es gebe einen zielgerichteten Sinn, der sich möglicherweise aufgrund der Beschränktheit des menschlichen Geistes, diesem nicht erschließe. Vertreten wird diese Hypothese z. B. vom Theologen Richard Swinburne.^[18]

Kritik und Diskurs der teleologischen und theologischen Erklärung

Der Begriff „Feinabstimmung“ wird kritisiert: Er sei kein naturwissenschaftlicher Begriff, sondern stamme aus den Ingenieurwissenschaften und sei wegen seiner teleologischen Konnotation irreführend.^[19] Neben Einwänden, welche allgemein die Gültigkeit teleologischer Hypothesen innerhalb von wissenschaftlichen Erklärungen betreffen, gibt es Einwände, welche die Argumentation der Teleologiebefürworter umkehren. Beispielhaft:

• Nach Meinung von E. Sober,^[20] sowie M. Ikeda und B. Jefferys^[21] ist die Annahme eines ansonsten unspezifizierten Schöpfers keine Erklärung für die Feinabstimmung, da dieser Schöpfer, der machtvoll genug ist Universen zu erschaffen, auch in einem nicht feinabgestimmten Universum Leben erschaffen könnte. Selbst wenn in einem Universum keine der als feinabgestimmt geltenden Konstanten die richtige Größe hätte, so wäre es für ihn sicher auch möglich, in diesem ansonsten lebensfeindlichen Universum an einem lokalen Ort für Bedingungen zu sorgen, welche Leben ermöglichen würde. Wenn z. B. die Wechselwirkungkonstanten der Kräfte nicht die korrekten Größen hätten, so dass Kohlenstoff-12 nicht auf natürlichem Wege entstehen könnte, so könnte ein allmächtiger Schöpfer durch einen übernatürlichen Eingriff trotzdem das zum Leben nötige Kohlenstoff-12 entstehen lassen. Wäre das Universum durch einen Schöpfer geschaffen worden, so gäbe es dieser Ansicht nach keinen Grund, ein feinabgestimmtes Universum zu erwarten, und demnach bietet die teleologische Hypothese keine Erklärung für eine Feinabstimmung des Universums.

• M. Ikeda und B. Jefferys ist diese Argumentation eine kraftvolle Bestätigung des Naturalismus, d. h. der Annahme, dass in unserem Universum alles mit „rechten Dingen“ zugeht, also gesetzesgemäß und ohne übernatürliche Eingriffe. Sie argumentieren, dass gerade die hypothetische Beobachtung, dass das Universum nicht nur nicht feinabgestimmt ist, sondern sogar für Leben geradezu ungeeignet wäre, auf einen Schöpfer hinweisen würde. Denn nur unter der Voraussetzung, dass sich unser Universum streng gesetzesgemäß verhalte, bestehe die Notwendigkeit einer Feinabstimmung und entfalle die Notwendigkeit göttlich-schöpferischer Eingriffe und Anstöße. Allerdings wird durchaus auch die These vertreten, dass eine mögliche, schöpfende Kraft von Beginn an, die Naturgesetze so geschaffen hat, dass diese Leben ermöglichen. Die rationale Verständlichkeit des Universums wird folglich als ein Indiz für die Existenz einer schöpfenden Kraft gedeutet. Vertreter dieser Auffassung sind beispielsweise der Mathematiker und Philosoph John Lennox oder der Humangenetiker Francis Collins ^[22][23].

• Sowohl das Argument Richard Swinburnes, als auch das Argument von M. Ikeda und B. Jefferys benutzen zu ihrer Beweisführung die Bayessche Statistik, welche nicht allgemein akzeptiert ist und beispielsweise von Vertretern eines objektiven Wahrscheinlichkeitsbegriffes abgelehnt wird. Selbst unter Anhängern der bayesschen Statistik gibt es keine Übereinstimmung darüber, auf welche Art von Hypothesen die bayessche Statistik angewendet werden kann. Einer der bekanntesten Vertreter der bayesschen Statistik, B. de Finetti, schränkt die Anwendbarkeit der bayesschen Statistik z. B. auf solche statistischen Hypothesen ein, welche letztlich empirisch entscheidbar sind.^[24]

Quellen

1. ↑ John Leslie: Universes. Routledge London.
2. ↑ Anthony Aguirre: The Cold Big-Bang Cosmology as a Counter-example to Several Anthropic Arguments. Physics preprint archive astro-ph/0106143.
3. ↑ A. G. Riess et al.: Observational Evidence from Supernovae for an Accelerating Universe and a Cosmologial Constant. In: The Astronomical Journal. 116:1009–1038, September 1998.
4. ↑ V. J. Stenger: Is the Universe fine-tuned for us? Chapter 12 in „Why Intelligent Design Fails“ (Editors: M. Young, T. Edis) Rutgers University Press, 2004, ISBN 0-8135-3872-6.
5. ↑ Ulrich Walter: Zivilisationen im All – sind wir allein im Universum. Spektrum Akademischer Verlag GmbH, Heidelberg Berlin 1999.
6. ↑ A. B. Kaganovich: Quintessence without the fine tuning problem of the potential. In: Nuclear Physics B – Proceedings Supplements. Volume 87, Number 1, June 2000, S. 496–497.
7. ↑ Yungui Gong, Anzhong Wang, Yuan-Zhong Zhang: On curvature coupling and quintessence fine-tuning. In: Europhys. Lett. 74 (5), 2006, S. 930–936.
8. ↑ ^{a b} Max Tegmark: Is “the theory of everything” merely the ultimate ensemble theory? In: Annals of Physics. 270, 1998, 1–51.
9. ↑ W. H. Press, A. Lightman: Dependence of Macrophysical Phenomena on the Values of the Fundamental Constants. In: Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Series A, 1983, 310, S. 323–336.
10. ↑ ^{a b} V. J. Stenger: Natural Explanation For The Anthropic Coincidences. Philo 3, 50.
11. ↑ Stephen Hawking: Public Lectures – Space and Time Warps.
12. ↑ Paul Ehrenfest, 1917
13. ↑ Frank R. Tangherlini, 1963
14. ↑ Die Problematik hierbei, neben dem Problem der Definition der Entropie für ein Gesamtuniversum, ist z. B., ob es für ein Universum überhaupt einen stabilen thermodynamische Gleichgewichtszustand gibt. So haben etwa S. W. Hawkins (Commun. Math. Phys Vol. 43, 199, 1975) und später J. D. Barrow und F. J. Tipler („Eternity is unstable.“ Nature Vol. 276, 453–459, 1978) gezeigt, dass der Endzustand eines offenen oder flachen Universums instabil ist. Dies ändert das Bild, das die Forschung vom Wärmetod des Universums zeichnete. Wurde bis dahin angenommen, dass sich nach dem Wärmetod keine neuen Strukturen bilden können, keine Entropiegradienten vorhanden sind und ein Zustand der ewigen Ruhe im Universum eingekehrt ist, so ergibt sich nun ein völlig neues Bild vom Wärmetod. Demnach entstehen selbst dort noch ständig neue Strukturen in Form von Raumzeit-Wirbeln, die die Isotropie des Universums mehr und mehr zerstören.
15. ↑ G. L. Kane: The Beginning of the End of the Anthropic Principle. Physics preprint archive astro-ph/0001197.
16. ↑ “The multiverse itself need not be finetuned.” N. Bostrom: Anthropic Bias. Seite 13.
17. ↑ Nick Bostrom: Anthropic Bias, Observation Selection Effects in Science and Philosophy. Routledge, 2002.
18. ↑ Richard Swinburn: Argument from the fine-tuning of the universe. In Physical cosmology and philosophy. J. Leslie, New York, Macmillan, 154–173.
19. ↑ Mark Isaak: What Design Looks Like.
20. ↑ E. Sober: The design argument. In: N. A. Manson (Hrsg.): God and Design: The Teleological Argument and Modern Science. Routledge, New York 2003, S. 27–54.
21. ↑ M. Ikeda, B. Jefferys: Anthropic Principle Does Not Support Supernaturalism.
22. ↑ John Lennox, "Hat die Wissenschaft Gott begraben?" Brockhaus, Witten; Auflage: 7., Aufl. (31. Oktober 2007)
23. ↑ http://www.salon.com/2006/08/07/collins_6/
24. ↑ W. Stegmüller: Probleme und Resultate der Wissenschaftstheorie und Analytischen Philosophie. Band IV, Personelle und statistische Wahrscheinlichkeit, 1973.

Weblinks

• Vortrag über die Feinabstimmung von Prof. P. Hägele von der Uni Ulm (Dokument als pdf; 2,68 MB)
• A Designer Universe? Vortrag des Nobelpreisträgers Steven Weinberg (englisch)
• Was ist die Beryllium-Barriere? aus der Fernseh-Sendereihe alpha-Centauri

Literatur

• S. G. Karshenboim, E. Peik: Astrophysics, Clocks and Fundamental Constants. Springer 2007, ISBN 3-540-21967-6.