Im Pestjahr 1665-1666 veränderte Isaac Newton die wissenschaftliche Welt, indem er das universelle Gravitationsgesetz und die Mathematik der Infinitesimalrechnung entdeckte. Wird sich die Geschichte jetzt, im Seuchenjahr 2020-2021, wiederholen?
Stephen Wolfram denkt so. Der in Großbritannien geborene Wissenschaftler, der in den USA lebt, behauptet, er habe einen Weg zu einer grundlegenden Theorie der Physik gefunden, die einige der größten Fragen beantwortet, wie zum Beispiel:Was ist Weltraum? Was ist Zeit? Und warum existiert das Universum?
„Um fair zu sein, ein Großteil der Arbeit wurde 2019 erledigt und wir wollten schon im März 2020 darüber sprechen, aber wegen COVID wurde alles gesperrt“, sagt Wolfram. „Aber es stimmt, dass wir mehr Fortschritte bei der Suche nach einer grundlegenden Theorie der Physik gemacht haben, als ich je für möglich gehalten hätte.“
Wolframs Ausgangspunkt war die Frage:Was ist Raum? „Physiker stellen diese Frage nicht oft“, sagt er. „Sie betrachten den Weltraum lediglich als den Hintergrund, vor dem sich die Ereignisse des Universums abspielen.“
Laut Wolfram besteht der Raum aus einem Netzwerk von „Knoten“, die miteinander verbunden sind. Die Art der Verbindungen – wie jeder Knoten mit nahen und entfernten Knoten verbunden ist – kann einen Raum beliebiger Dimension schaffen. Wenn also die Anzahl der Knoten mit dem Quadrat der Entfernung von einem bestimmten Knoten zunimmt – wie die Oberfläche einer Kugel – hat das Netzwerk die Eigenschaften des bekannten 3D-Raums.
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„Ich glaube tatsächlich, dass das Universum mit unendlich vielen Dimensionen begann und sich allmählich auf die drei, die wir heute haben, abgekühlt hat“, sagt Wolfram. „Aber ich weiß noch nicht, warum es genau drei sind.“
Wolfram interessiert sich dafür, was das minimale „Zeug“ ist, das benötigt wird, um das Universum zu erschaffen. Und neben dem Netzwerk aus Knoten – „den Atomen des Raums“ – gibt es noch eine weitere Zutat, die „Regeln“, die das Netzwerk verändern. So lautet beispielsweise eine Regel:„Überall dort, wo ein bestimmtes Muster von Knoten vorhanden ist, ersetze es durch ein anderes bestimmtes Muster von Knoten.“
„Es ist die immer neue Anwendung solcher Regeln – die kontinuierliche Aktualisierung des Weltraumnetzwerks – die den Raum zusammenstrickt“, sagt Wolfram. „Das Wunder ist, dass dieser Prozess auch die gesamte Materie im Universum und alle Gesetze der Physik, die wir in den letzten 350 Jahren entdeckt haben, erschaffen kann.“
Bevor wir uns mit dieser bemerkenswerten Behauptung befassen, lohnt es sich, darüber nachzudenken, wie Wolfram zu diesem Punkt gekommen ist. Er wurde 1959 in London geboren und veröffentlichte im Alter von 15 Jahren physikalische Aufsätze. Als Doktorand am California Institute of Technology in Pasadena arbeitete er mit Richard Feynman zusammen, dem wohl bemerkenswertesten US-Physiker der Nachkriegszeit. Aber ein entscheidendes Ereignis für Wolfram war eine Entdeckung, die er 1981 machte, als er einen Computer benutzte, um die Folgen einfacher Computerprogramme zu untersuchen – solche, deren Ausgabe wiederholt als ihre Eingabe zurückgeführt wird, wie eine Schlange, die ihren eigenen Schwanz frisst.
Die einfachsten Computerprogramme, die ihm damals einfielen, waren zellulare Automaten. Dies sind eindimensionale Reihen von Quadraten, die jeweils leer oder gefüllt sein können. Es wird eine Regel angewendet, die ein bestimmtes Muster von Quadraten durch ein anderes ersetzt. Auf diese Weise entsteht eine neue Reihe von Quadraten. Und noch eine neue Zeile. Und so weiter.
Meistens stellte Wolfram fest, dass nichts Interessantes passierte. In einigen Fällen gab es jedoch dauerhafte Merkmale, die sich über das sich entwickelnde Zellgitter bewegten und an subatomare Teilchen in der realen Welt erinnerten. Aber die große Überraschung war, dass es ein paar Regeln gab, die unendliche Neuheit und Komplexität erzeugten.
Dies war ein Aha-Moment für Wolfram. Normalerweise haben einfache Programme einfache Ausgaben und komplexe Programme haben komplexe Ausgaben. Aber Wolfram hatte einfache Programme mit komplexen Ausgaben entdeckt. Sein unmittelbarer Gedanke war:„Erschafft das Universum so eine Rose oder ein neugeborenes Baby oder eine Galaxie? Ist es nur die wiederholte Anwendung eines einfachen Programms?“
Im Jahr 2002 veröffentlichte Wolfram A New Kind Of Science , ein 1.200-seitiger Wälzer mit 1.000 Schwarz-Weiß-Bildern und einer halben Million Wörter. Darin untersuchte er unter anderem die Konsequenzen aller 256 möglichen Regeln für eindimensionale zelluläre Automaten, darunter Regel 30, die unbegrenzte Komplexität erzeugte. Das Buch wurde von der Physik-Community angefeindet. Zum Teil lag es daran, dass er es selbst veröffentlicht hatte, ohne das übliche Peer-Review-Verfahren durchlaufen zu haben. Aber ein anderer Grund war, dass andere Physiker nicht sehen konnten, wie sie seine Ideen nutzen sollten, um irgendetwas Nützliches vorherzusagen.
Sie hatten Recht. Im Grunde sagte Wolfram, dass das meiste, was das Universum tut, „rechnerisch nicht reduzierbar“ ist – das heißt, das Ergebnis kann nur entdeckt werden, indem das Computerprogramm für die 13,82 Milliarden Jahre, in denen das Universum existiert, ausgeführt wird. Für viele andere Physiker war das eine Menge Gutes.
Aber Wolfram sagte auch, dass es innerhalb der das Universum erzeugenden Berechnung „rechnerisch reduzierbare“ Inseln gibt, wo es möglich ist, das Ergebnis abzuleiten, ohne das Programm tatsächlich auszuführen. „Diese Abkürzungen sind nichts anderes als die Gesetze der Physik, die wir entdeckt haben“, sagt Wolfram.
Am Ende verfolgte Wolfram die Ideen, die er in A New Kind Of Science dargelegt hatte, nicht weiter . Einerseits, sagt er, habe es keine Nachfrage von Seiten der Physiker gegeben. Und auf der anderen Seite waren seine Softwares wie die Computersprache Mathematica und die intelligente Suchmaschine WolframAlpha gefragt, die ihn zum Milliardär gemacht hatten. Daher verbrachte er die nächsten zwei Jahrzehnte damit, sie stattdessen zu entwickeln.
Aber 2019 traf er einige junge Physiker, die ihn ermutigten, seine Suche nach einer grundlegenden, computergestützten Theorie der Physik fortzusetzen. Und im Alter von 60 Jahren hieß es jetzt oder nie.
Das Problem bei zellularen Automaten besteht darin, dass sie auf einem bereits bestehenden Gitter laufen. Wolfram erkannte schnell, dass er etwas Einfacheres, noch Grundlegenderes brauchte. So kam er auf die Idee eines sich selbst aktualisierenden Weltraumnetzwerks. Es gibt beständige Merkmale in den Netzwerken, ähnlich wie Wirbel im Wasser, und diese sind Materie. Letztlich entsteht also alles aus dem Raum. Es gibt nichts anderes. Eigentlich stimmt das nicht ganz. Es gibt noch eine andere Sache. „Zeit, von der alle seit Einstein dachten, sie sei dasselbe wie Raum, ist es nicht“, sagt Wolfram. „Zeit ist eigentlich der Prozess der schrittweisen Berechnung.“
Eines der Probleme mit Wolframs früherem Ansatz war, dass, wenn er das Programm fand, das das Universum erzeugt – und er glaubte, dass es nicht länger als vier Codezeilen in seiner eigenen Computersprache Mathematica sein könnte – dann würde sich die Frage stellen, warum dieses Programm und kein anderes? Wolfram kam daher auf die Idee, dass das Universum von
allen möglichen gleichzeitig laufenden Programmen erzeugt wird.
„Auf den ersten Blick wirkt es unglaublich chaotisch. Wie kann daraus etwas Nützliches entstehen?“ er sagt. „Aber das Wunder ist, dass alles funktioniert, einschließlich der beiden Säulen der modernen Physik:Einsteins Gravitationstheorie [Allgemeine Relativitätstheorie] und Quantentheorie.“
Das Wichtigste ist, zu erkennen, dass wir das Universum nicht von außen beobachten. Das ist unmöglich. Stattdessen sind wir Teile eines sich selbst aktualisierenden Weltraumnetzwerks innerhalb des sich selbst aktualisierenden Weltraumnetzwerks des Universums. Wir sind nicht nur in der Menge an Berechnungen, die wir durchführen können, begrenzt und daher nicht in der Lage, den größten Teil der irreduziblen Berechnungen um uns herum wahrzunehmen, sondern wir sind auch durch unsere Biologie begrenzt, was dazu führt, dass wir dem, was wir tun, einen einzigen Zeitfaden auferlegen sehen. „Trotz der Tatsache, dass alle möglichen Regeln tatsächlich funktionieren, wird unsere Stichprobe eine einzige Regel aufdecken, die das Universum erzeugt“, sagt Wolfram.
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Entscheidend ist, dass unsere grundlegenden Einschränkungen es uns nicht erlauben, die Atome des Weltraums zu sehen. Stattdessen sehen wir sie miteinander verbunden, um ein glattes Kontinuum zu bilden – ein Kontinuum im Übrigen, das von der Allgemeinen Relativitätstheorie beschrieben wird. In Einsteins Theorie folgen Massen wie Planeten dem kürzesten oder „geodätischen“ Weg durch die Raumzeit. Die Raumzeit wiederum wird durch das Vorhandensein von Energie (genau genommen Energie-Impuls) verzerrt. Laut Wolfram ist Energie in seinem Bild nichts anderes als die Menge an Aktivität, die an einem beliebigen Ort im Netzwerk vor sich geht, und es ist diese Berechnung, die letztendlich die Geodäten massiver Körper verbiegt.
Im Gegensatz dazu beschreibt die Quantentheorie das mikroskopische Reich der Atome und ihrer Bestandteile und ist dafür bekannt, dass sie mit der Allgemeinen Relativitätstheorie grundlegend unvereinbar erscheint. Insbesondere gibt es keinen eindeutigen Weg durch den Raum. Atome können mehreren Wegen folgen, jeder mit einer zugehörigen Wahrscheinlichkeit. Laut Wolfram ist diese mehrfache Historie in seinen Rahmen eingebaut, da jedes Mal, wenn ein Teil des Weltraumnetzwerks aktualisiert wird, es nicht nur durch eine Regel, sondern durch mehrere mögliche Regeln aktualisiert werden kann, was zu mehreren Historien führt. „Die Quantentheorie ist kein Aufsatz, wie in der Standardphysik“, sagt er.
Wolfram geht noch weiter. Er stellt sich einen „Zweigraum“ vor, der all diese vielfältigen Geschichten einschließt. Und dies erfordert die Werkzeuge von Mathematica zur Visualisierung, was einer der Gründe ist, warum es anderen Physikern, nicht nur Normalsterblichen, schwer fällt, Wolfram zu folgen. Das Wichtigste, was Wolfram behauptet, ist jedoch, dass die Allgemeine Relativitätstheorie mit ihrer durch Energie-Impuls im normalen Raum gebogenen Geodäte genau dasselbe ist wie die Quantentheorie mit ihrer durch Energie-Impuls im Branchial-Raum gebogenen Geodäten. „Allgemeine Relativitätstheorie und Quantentheorie sind im Grunde dieselbe Theorie!“ er sagt. „Ich hätte nie erwartet, ein so schönes Ergebnis zu entdecken.“
Das ist in der Tat ein erstaunliches Ergebnis. In der Mainstream-Physik bietet nur die Stringtheorie einen Rahmen, der die Allgemeine Relativitätstheorie und die Quantentheorie vereint, und sie hat große Probleme, nicht zuletzt die Tatsache, dass sie nicht zu einem einzigen Universum führt, sondern zu einem Multiversum von etwa 10.500 Universen. Es gibt jedoch einen starken Hinweis, der als „holografisches Prinzip“ bekannt ist, dass die Quantentheorie und die Allgemeine Relativitätstheorie eng miteinander verbunden sind und dass sich die Quantentheorie als Allgemeine Relativitätstheorie in einem höherdimensionalen Raum manifestiert. Wolfram sieht seine Arbeit als Bestätigung dieses Zusammenhangs.
Carlo Rovelli von der Universität Aix-Marseille arbeitet an der „Loop-Quantengravitation“, einem Rivalen der Stringtheorie, die zu zeigen versucht, dass die Raumzeit auf der unglaublich kleinen Planck-Skala aus endlichen Schleifen besteht, die zu einem komplexen Verschiebungsnetzwerk verwoben sind . Gibt es einen Zusammenhang zwischen Wolframs Arbeit und der Schleifenquantengravitation? „Tatsächlich war ich neugierig auf dieselbe Frage!“ sagt Rovelli.
Andere finden Wolframs Arbeit faszinierend. Einer ist Gregory Chaitin, der argentinische Amerikaner, der mit 15 Jahren ein Gebiet der Mathematik – die algorithmische Informationstheorie – erfand. „Ich persönlich finde seine neue Arbeit sehr interessant“, sagt er. „Und ja, so etwas wie die Allgemeine Relativitätstheorie und wie die Quantenmechanik entsteht ziemlich natürlich.“
Chaitin mag die Originalität von Wolframs Ansatz. „Was Spaß macht, ist, dass dies völlig orthogonal [distinct] zu dem ist, was alle anderen tun. Bisher war die Stringtheorie das einzige Spiel in der Stadt, das versucht, auf dieser Ebene zu operieren. Jetzt gibt es ein weiteres Spiel.“
Wolfram ist ermutigt von der Resonanz auf seine neueste Arbeit, die sich von der Resonanz, die er 2002 erlebte, stark unterscheidet. Er sagt, dass viele junge Physiker seine Seminare besuchen und ältere Physiker ihre Studenten schicken. Er überträgt einen Großteil der Entwicklung live im Internet, damit die Leute sehen können, was er tut. „Ich war überrascht, wie wenige Leute gesagt haben, dass das unmöglich funktionieren kann“, sagt Wolfram. „Es war eher ‚Ich kann das nicht verstehen‘ oder ‚Sag uns, nach welchen Phänomenen wir suchen können‘.“
Wolfram ist auch nicht allein, wie er es 2002 war. Er hat jetzt eine Handvoll anderer Physiker, die mit ihm zusammenarbeiten. Chaitin hält dies für bedeutsam. „Ungewöhnlich für Stephen gibt er einigen sogar die Anerkennung als Co-Autor“, sagt er. Einer der größten Unterschiede zwischen heute und 2002 ist jedoch, dass die Vorstellung, dass die Informationsverarbeitung im Herzen des Universums liegt, weit mehr Mainstream ist als noch vor zwei Jahrzehnten. In gewisser Weise widerspricht nichts, was Wolfram tut, der anerkannten Physik. Er versucht lediglich, unter die Motorhaube des Autos zu gehen, um die Berechnung zu enthüllen, die sowohl das Universum als auch die Gesetze der Physik, die wir beobachten, erzeugt.
Eine Konsequenz aus Wolframs Bild ist, dass Außerirdische mit unterschiedlichen Biologien und unterschiedlichen Sinnen möglicherweise unterschiedliche Teile der das Universum erzeugenden Berechnung sehen und daher unterschiedliche Gesetze aus der Quantentheorie und der Allgemeinen Relativitätstheorie ableiten. Tatsächlich können sie für uns für immer unsichtbar sein, da sie in Teilen des Weltraumnetzwerks existieren, von denen unsere Sinne einfach nicht abtasten. „Unsere Sicht ist durch unsere Größe von etwa einem Meter Höhe und unser Beharren darauf, einen einzigen Zeitfaden zu sehen, begrenzt“, sagt Wolfram. „Aber Kreaturen von der Größe des Planeten und ohne dieses Beharren würden etwas ganz anderes sehen.“
Am Ende werden es Vorhersagen neuer Phänomene sein, die Wolframs Rechenuniversum bestätigen oder widerlegen. Und diese fehlen derzeit. Wolfram sieht jedoch Orte, die für Beobachtungsvorhersagen fruchtbar sein könnten. Er glaubt zum Beispiel, dass es Bereiche unseres Universums mit unterschiedlich vielen Dimensionen geben könnte. Und insbesondere vermutet er, dass sich die Schwarzen Löcher möglicherweise schneller drehen können, als es die Standardphysik zulässt, und dabei ganze Teile der Raumzeit abbrechen können, was in der Allgemeinen Relativitätstheorie unmöglich ist.
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Die große Frage bleibt, warum gibt es ein Universum? Und hier denkt Wolfram, dass das Universum im gleichen Sinne existieren könnte, wie es die Mathematik gibt. Mathematik besteht aus einer Reihe von Gegebenheiten oder „Axiomen“ und den Konsequenzen oder „Theoremen“, die sich daraus durch Anwendung der Regeln der Logik ableiten lassen. Ebenso ist das Universum lediglich die logische Folge der Anwendung aller möglichen Regeln auf ein Netzwerk körperloser Knoten. „Es ist unvermeidlich, dass es existiert, genauso wie es unvermeidlich ist, dass 1 + 1 =2 ist“, sagt er.
Wir erleben das Universum natürlich als eine solide Sache, nicht als eine abstrakte Sache wie das Gebäude der Mathematik. Da wir aber auch aus dem gleichen Stoff wie das Universum bestehen – wie virtuelle Kreaturen in einer virtuellen Realität – erscheint uns alles absolut real.
Ob Wolfram der neue Newton wird oder nicht, das Pestjahr hat definitiv zu Wolframs Stärken beigetragen. „Ich habe immer remote von meinem Unternehmen aus gearbeitet“, sagt er. „Das letzte Jahr hat mir gut getan.“ Er gibt zu, dass es noch ein langer Weg ist, eine grundlegende Theorie der Physik zu entwickeln. „Aber ich bin erstaunt, wie weit es in kurzer Zeit vorangekommen ist“, sagt er. „Ich hätte nie gedacht, dass es so gut funktionieren würde.“
- Dieser Artikel erschien zuerst in Ausgabe 365 des BBC Science Focus Magazine – Hier erfahren Sie, wie Sie sich anmelden können