Stephen Hawking (1942 – 2018)
Bild: 1970
Vom
Schwarzen Loch
zum
Anfang der Welt,
der keiner war .......?
___________________________________________________________________
Hans-Joachim Blome NWG - Essen
FH Aachen 8. November 2018
Stephen Hawking 8. Januar 1942 - 14. März 2018
Seit 1979: Lucasian Chair of Mathematics
University of Cambridge
Theoretische Physik:
Allgemeine Relativitätstheorie • Problem der Singularität
• Implodierende Sterne = Schwarze Löcher ....
• Anfang der Welt
Berücksichtigung der Quantentheorie
Religion / Theologie
Gott und die Welt ....creatio ex nihilo
Philosophie
Weder Empirismus, noch Realismus ..
modellabhängiger Realismus
Stephen William Hawking *1942
1942 Geburtsjahr Stephen William Hawking
1959 Oxford Beginn des Physikstudiums
1962 Cambridge Doktorand bei Dennis Sciama
1963 Diagnose Amyotrophe Lateralsklerose
1965 Hochzeit Jane Wilde
Robert(1967), Lucy(1970), Timothy(1979)
1968 Singularitäten Theoreme Black Hole „zerreißt die Raumzeit – Geometrie“
1969 Rollstuhl
1970 Schwarze Löcher können verdampfen
~ 1974 CALTECH (USA)
1975 Cambridge (U.K.) Lucasian Professor für Mathematik
1983 Quantenmechanik und Universum
1985 CERN (Genf) - Verlust der Stimme
1988 Eine kurze Geschichte der Zeit
1990 Trennung von Jane - nach 25-jähriger Ehe
1995 Heirat: Stephen Hawking ∞ Elaine Mason (Trennung 2006)
~ 1995 Über die Natur von Raum und Zeit (Debatte mit Roger Penrose)
> 2000 Universum oder Multiversum ?
2010 Der große Entwurf Eine neue Erklärung des Universums – ohne Gott
1963
Diagnose:
Amyotrophe Lateralsklerose (ALS)
1988: Jane und Stephen Hawking
Mein Ziel ist einfach
das vollständige Verständnis des Universums:
Warum es ist,
wie es ist, und …..
warum es überhaupt existiert
Mathematik der theoretischen Physik
deckt Aspekte der Realität auf,
welche die ursprünglichen Erfahrungen übersteigen !!
Die Suche nach der Weltformel
….
Antrittsvorlesung: Cambridge, 1981
Ziel der Wissenschaft ist
erstens die möglichst
vollständige begriffliche Erfassung
und Verknüpfung der Sinneserlebnisse
in ihrer ganzen Mannigfaltigkeit,
zweitens aber die Erreichung dieses Zieles
unter Verwendung eines Minimums
von primären Begriffen und Relationen.
Hawking (1980):
Ende (Einheit) der Physik im 21. Jahrhundert ?
Theory of everything
„Weltformel“
Realität
Vereinheitlichung der Physik:
Elektromagnetische
Phänomene
Maxwell – Gleichungen
verknüpfen
Elektrische Ladungen Elektrische Felder
Bewegte Ladungen Magnetische Felder
Beschleunigte Ladungen
Elektromagnetische Strahlungsfelder (Licht) jStrömenLadungenmit
t
B
t
E
/
,
Vereinheitlichung der Physik:
Beispiel
Elektrodynamik
Stephen Hawking (1988) Kosmologie ohne Formeln …..
… und die These Das Universum hat keinen Anfang
…. und eine Frage Wer blies den Naturgesetzen den Odem ein
und schuf ihnen ein Universum ?
September 1995
heiratet er Elaine Mason
seine frühere Krankenschwester.
Im Jahr 2006: Trennung
1989 / 1990
Trennung von Jane
Vater und Tochter (Lucy)
Zahlreiche Ehrungen u.a.:
Bern am 14. März 1979 Verleihung der Albert Einstein Medaille
1974 Aufnahme (mit 32 Jahren !!) in die Royal Society
1976 Arthur Eddington Medaille
1981 Commander of the British Empire
1986 Aufnahme in die
Päpstliche Akademie der Wissenschaft
2009 Presidential Medal of Freedom
Auch wenn er sich stets
als Agnostiker bezeichnet habe,
sei Hawking davon beseelt gewesen,
dass etwas Unerklärbares
hinter dem Entstehen der Welt steht …..
Nachruf im März 2018:
dauernd unterwegs
…. oder am Schreibtisch
Schrödinger Gleichung für das Universum
Der Leidensweg
1963 Diagnose: Amyotrophe Lateralsklerose (ALS)
1970 Rollstuhlfahrer
1974 Pflegestufe > III
1985 Verlust der Sprechfähigkeit
Sprachcomputer mit Handbedienung
2005 Mobilität der Hand erloschen ..
Zucken der rechten Wange Sprachcomputer ….
Ich versuche normal zu leben
und nicht allzu viel über
meinen Zustand nachzudenken.
Vielleicht sind die Menschen fasziniert von dem Gegensatz
zwischen meinen extrem eingeschränkten körperlichen Fähigkeiten
und den gewaltigen Ausmaßen des Universums, mit dem ich mich beschäftige.
gegen den Brexit
Israels Palästina-Politik (Nicht-Teilnahme an Konferenz in Jerusalem 2013)
Donald Trump (Kritik im Juli 2017 im BBC)
die Profitmaximierung der US-amerikan. Politik
die Verhöhnung der Wissenschaft (Fake News, etc…)
die Rep. Partei in den USA (Versuch der Vereinnahmung seiner Person 2009)
die Privatisierung des National Health Services in UK (August 2017)
in solch einem System wäre für Menschen wie ich kein Platz …
Stephen Hawking
Öffentliche Kommentare
zur politischen Lage
1975 Papst Paul VI.
1981 / 1986 Papst Johannes Paul II
2012 Papst Benedikt XVI
2016 Papst Franziskus
(Prof. Dr. C. Woytila)
(Prof. Dr. J. Ratzinger)
Besuche in Rom: 5 Audienzen bei 4 verschiedenen Päpsten …
Stephen Hawking + 14.3.2018
im 76. Lebensjahr, am 139. Geburtstag von Albert Einstein
Der Weg in die Forschung
1962: Von Oxford nach Cambridge
Doktorand bei Dennis Sciama
Hawking, S. (1965):
Properties of expanding universes.
PhD Thesis, Cambridge
Prof. Dr. Dennis Sciama
Dennis Sciama (1926–99) Fred Hoyle (1915 – 2001)
glaubte nicht an Big Bang … glaubte an die Einheit
des Universums
glaubte nicht an Gott, Allah und Jahwe ..
Doktoranden:
Dennis Sciama
(1926 – 1999)
Roger Penrose (*1931)
1973
1960 1970
1965 Nachglühen des heissen Anfangs Anfangs-Singularität ?
1967 Ende der Sterne: Neutronenstern/Pulsar Gravitationskollaps Black Hole ?
1963 Quasare = (aktive !!) Kerne von Galaxien Schwarzes Loch ?
Astronomische Beobachtungen Beginn der relativistischen Astrophysik
1965: PhD Thesis von Stephen Hawking
1965 1969
Maarten
Schmidt (NL) 1963
Quasar 3C2731963First Texas Symposium
on
Relativistic Astrophysics
Kapitel 1: Hoyle-Narlikar Theorie und Kosmologie
Kapitel 2: Inhomogenitäten Galaxien
Kapitel 3: Ausbreitung von Gravitationswellen
im Universum
Kapitel 4: Anfangs-Singularität im Universum
https://www.repository.cam.ac.uk/handle/1810/251038
Eigenschaften expandierender Universen
Singularitätenproblem
Wo endet
der Kollaps toter Sterne ?
Stephen Hawking (1966, 1967): The occurence of singularities in cosmology.
Proceedings of the Royal Society. A. London Bd 294, S. 511, Bd 295, S. 490, Bd 300, S. 107
Stephen Hawking, Roger Penrose (1970): The singularities of gravitational collapse and cosmology.Proceedings of the Royal Society. A. Bd 314, S. 529-548.
Singularität in Physik und Astronomie
Physikalische Größe (z.B.: Amplitude, Dichte)
strebt asymptotisch gegen unendlich ….
Erzwungene Schwingung ohne Dämpfung
Kollabierender Stern
wenn kein Gegendruck ihn stabilisiert
AAmplitidedannffwenn ,0
MateriederDichtedannRwenn ,0*
*R
Zeit
Thus
classical general relativity
brings about
its own downfall:
Allgemeine Relativitätstheorie begrenzte Tragweite
Raumzeit-Geometrie
wird
perforiert …
Gravitationskollaps
Singularität
Raumzeit-Geometrie „zerreißt“
Krümmung unendlich
Einstein-Rosen Brücke (1935)
Tor zu einer anderen Welt ???
Kollaps massereicher Sterne endet
in einer Singularität
http://www.lsw.uni-heidelberg.de/users/mcamenzi/W_SL.pdf
Gravitationskollaps: Implosion eines massereichen Sterns
Raumzeit-Geometrie
wird
perforiert …
keine geschlossenen zeitartigen Kurven
kein Punkt in seiner eigenen
zeitartigen Vergangenheit oder Zukunft liegt.
Energiedichte positiv
Fokussierung
kausaler geodätischen Linien
via Raychaudhuri - GleichungAmal K. Raychaudhuri (1924-2005)
Hawking – Penrose Theorem
Wenn die Raumzeit-Geometrie
Stern: heisse Gaskugel (ionisiertes Gas)
im Druckgleichgewicht
Gravitationskollaps zum „Schwarzen Loch“:
Abstieg in die Gruft der Sterne
Unaufhaltsamer Gravitationskollaps ?
Gravitationskollapsentsprechend Relativistischer Astrophysik
Unterscheidung:
• mit fallender „Beobachter“
• Astronomen weit weg auf der Erde
Auf dem Weg zum Schwarzen Loch
Gravitationskollaps
Radius R 0
Dichte ρ ∞
Bild unter: www.pitt.edu/.../chapters/black_holes/index.html
Es bildet sich eine
„trapped surface“ ……
Licht bleibt gefangen im Schwarzen Loch
Unaufhaltsamer Kollaps
zum
Schwarzen Loch
Könnte die Singularität von außen sichtbar sein ?
Cosmic Censorship Hypothesis
verschleierter Gravitationskollaps !
1967:
Black Hole
no frozen star
Prof. John Wheeler (1911 – 2008)
Princeton University
John Wheeler
Schwarze Löcher
häufig im Kosmos ?
Mini – Black Holes: entstanden im sehr frühen Kosmos ?
Midi – Black Holes: Ende massereicher Sterne
Maxi – Black Holes: in Zentren aktiver Galaxien („Quasare“)
auch
im Zentrum unserer Galaxis !
potentielle Energie
↓
kinetische Energie
Energiefreisetzung am Schwarzen Loch
007.0
5.0
2
N
G
mcE
Schwerkraftstrudel
Akkretion von Materie
potentielle Energie↓
kinetische Energie↓
thermische Energie↓
Strahlungsenergie↓
Röntgen-/ Gamma-Strahlung
acc
GMmE (R)
R
acc
GMmL E (R)
R
Schwarzes Loch im Sternbild Schwan
Röntgenquelle Cygnus X-1 B
Doppelstern
Entfernung d = 800 Lichtjahre Masse: 12 * Sonne
Durchmesser: ca. 15 Kilometer
Flächen der Ereignishorizont A
können nur anwachsen
Zwei Schwarze Löcher verschmelzen
SS MMMM 22 21
Hawking (1970)
23
4
16
4M
kA
G
ckSEntropie BH
Energieabstrahlung
Gravitationswellen
Flächensatz für Schwarze Löcher A > A1 + A2Stephen Hawking, George Ellis (1973)
A1 A2
A
Verschmelzende Schwarze Löcher
D: Giulini (1988): IS THERE A GENERAL AREA THEOREM FOR BLACK HOLES ? JOURNAL OF MATHEMATICAL PHYSICS 39, 6603.
Black Hole Thermodynamik ?
Verschmelzende
Schwarze Löcher: Oberfläche A
Erinnerung an Thermodynamik:
21 AAA 0dA
0dSJacob Bekenstein
(1947-2015)
Princeton, Ber‘sheva,
Jerusalem
Jacob D. Bekenstein (1973): Black Holes and Entropy. Phys. Rev. D 7, 2333
Mehr als eine heuristische Analogie ? ?
Entropie S nimmt zu …
Zunahme der Entropie = Entwertung von Energie
• Ausgleich von Temperaturdifferenzen
• Abbau von Konzentrationsgefällen
εντροπία ≈ Wendung, Umwandlung
Gleichverteilung ist wahrscheinlicher …….
2
22
2
)4(4
44PlPl l
MGk
l
AkS
Physikalisches Objekt mit Entropie hat auch eine Temperatur
Bekenstein, Hawking:
Entropie eines Black Hole
E
S
T
1Klassische Thermodynamik
26
2
2
811
Pllc
MGkS
McT
MGk
cTSL
8
3
Hawking (1975)
Schwarz Loch Temperatur
Schwarzes Loch
Entropie Temperatur
J. Bekenstein (1980): Black-hole thermodynamics. Physics Today
Particle creation by black holesAugust 1975, Volume 43, page 199–220
S. W. Hawking
Das schwarze Loch
„aktiviert“ die Vakuumenergie
Das Nichts in der Physik:
• materiefreier Raum !
ABER:
• Leerer Raum gefüllt mit potentieller / latenter Energie:
Vakuumenergie
Grundzustandsenergie der Quantenfelder
Heisenberg (1929)
Schwarzes Loch im leeren Raum
erfüllt von Quantenfeldern
virtuelle Teilchen-Antiteilchen Paare
werden getrennt ….
4 2 4
BH BH
dE( ) T A 4 R T
dt
(Ver-) dampfendes Schwarzes Loch
Allgemeine Relativitätstheorie
Schwarzschild Radius ist eine ultimative Grenze
Kein Objekt kann aus dem Schwarzen Loch entweichen !!!
Quantentheorie
weicht diese Grenze auf
….analog Tunneleffekt
beim radioaktiven Zerfall
Grimms Märchen
• Materie
• Information
Wärme
Licht
Information verloren ! !
Chemische Reaktionen …
Atome bleiben unzerstört
Informationsverlust im Lagerfeuer
…..aus quantenmechanischer Sicht wird einfach nur ein wenig Information umsortiert
Quantenmechanisches Objekt
„pure state“
thermal mixed state
thermische Strahlung
WIDERSPRUCH zu den Prinzipien der Quantentheorie (Unitarität verletzt !)
Informationsverlust im Schwarzen Loch
Einstein: es gibt keine Singularität, keine schwarzen Löcher ….
Andreas Müller https://www.spektrum.de/astrowissen/index.html
Gibt es eine umkehrbar-eindeutige Abbildung der Theorie auf die Realität ?
PHYSIKALISCHE REALITÄT MATHEMATISCHES BILD
Nicht alles mit mathematischer Physik denkmöglich ist, wird auch in der Natur realisiert …. ?
Black Holes - fact or fiction ?
Prof. Dr. Wolfgang Kundt(2015) in: Advances of mathematical Physics, Vol. 215
Sir Fred Hoyle
Prof. for Astrophysics, Cambridge
Quantum uncertainty
in the final state
of gravitational collapse
Skeptiker:
Physikalische Kosmologie
Was geschah
am Anfang des Universums ?
Hawking:
Anfangssingularität
im Rahmen der Allgemeinen Relativitätstheorie unvermeidbar
Kosmologie = Entschleierung der Frühgeschichte
Rückextrapolation mit physikalischer Theorie:
Gegenwart → Vergangenheit → Anfangszustand
Universum der Vergangenheit:
• Kleiner: Galaxien nicht existent
• heisser: adiabatische Kompression
• Anfangssingularität: Nullpunkt der Zeit, Energie unendlich
RELATIVITÄTSTHEORIE
Kosmische Geometrie
Expansion
Temperatur Dichte
Reaktionsrate
Teilchen und ihre Wechselwirkungen
QUANTENTHEORIE der Kosmischen Materie
http://www.haus-der-astronomie.de/3567673/14-singularitaeten-quanten-mp.pdf
Das frühe Universum:
Konvergenz von Elementarteilchenphysik und Astrophysik
Hubble Gesetz CMBR chem. Häufigkeit
H, D, He ,Li gleichförmig-
unabhänig vom Alter des Objekte
nicht-stellarer
Ursprung
Expansion
des Raumes
prä-galakt.
Strahlung
heisser AnfangszustandT > 109 K
Primordiale
Nukleosynthese
Hot Big Bang Model (HBBM)
Lemaitre (1927), Gamow (1948)Beobachtung
Theorie
Hypothesen
Anthropisches Prinzip
Anfangszustanddes
Kosmos Expansion
Naturkonstanten
Masse der Teilchen
Hierarchie der Kräfte
Sterne
Planeten Erde
Leben Mensch
Anthropisches Prinzip
Naturgesetze
Brandon Carter (1973):
Anthropisches Prinzip
komplementär zum Kopernikanischen Prinzip
Anfang → Kosmische Geschichte → Leben und Mensch
* 1942, Cambridge (Kollege von Stephen Hawking), Paris
Anfangssingularität
Der Urknall ist eine Singularität
• Anfang von Raum und Zeit
„Vor“ dem Urknall „gab“ es weder Raum noch Zeit
• Dichte und Temperatur unendlich
Weltmodell ist kein adäquates Bild
für die kosmische Realität der Frühzeit !
Quantentheorie notwendig
2
2
32
3)(
Gt
ct
2/14
2 1
32
3)(
tG
ctT
Klassische Kosmologie:
Anfang des Universum - Nullpunkt der Zeit
Hawking-Penrose Theorem:
{ Heute: Energiedichte positiv, Expansion } → R = 0 vor endlicher Zeit
R(t)
t tR = 0
Proceedings of the Royal Society A, October 1966
Thus classical general relativity
brings about ist own downfall:
it predicts
that it can‘t predict the universe
Stephen Hawking (1966, 1967):
The occurence of singularities in cosmology.
Proceedings of the Royal Society.
Singularität am Anfang der Welt
ist unausweichlich, wenn:
1. Energiedichte > 0
2. Chronologie
3. Expansion
In jedem Weltmodell
mit überall positiver Energiedichte
schneiden sich die Weltlinien
der Teilchen des kosmischen Substrats
vor endlicher Zeit
fokussierende Wirkung der Materie
St. Hawking
Agnostiker (?)G. Ellis
Quäker
Planck – Universum
Quantentheorie Singularität unphysikalisch
Anfangs-Zustand des Kosmos:
• endliche Ausdehnung
• Energiekonzentration Planck-Länge = 1.6 10 -33 cm
Planck-Dichte = 5 10 +92 g/cm3
Planck-Temperatur = 10 +32 Kelvin
Quantentheorie notwendig
1. Wirkungsintegral der Gravitation (ARTh) =
2. Heisenberg Unbestimmtheit
Georges Lemaitre (1931):
Anfangszustand der Welt
Energiekonzentration endlicher Ausdehnung
Der Anfang der Welt:
Spontaner akausaler Ursprung des Universums ….
Creatio ex nihilo ?
Ende der Astro-Physik
oder
Begrenzte Tragweite der Allgemeinen Relativitätstheorie
Sieht man keinen Sinn in der Frage, was in der Zeit vor dem
Anfang der Welt geschehen sei, so braucht man ebensowenig
Sinn in der Frage zu sehen, welche präexistente Ursache die
Welt zum Dasein gebracht hat –
eben die Welt, deren Sein vielleicht Bedingung der Möglichkeit
eines sinnvollen Gebrauchs von Kausalbegriffen ist.
CFW (1964): Tragweite der Wissenschaft, Seite171
Isaac Newton (1643 - 1727 )
- Naturgesetze
Prognose
- Anfangs-Bedingungen
Substanz, Kräfte, Raum + Zeit
Immanuel Kant ( 1724 - 1804 )
Logik der Erklärung = Deduktiv-Nomologische Erklärung
Causa efficiens = zeitgeordnete Kausalität
Anfangszustand ----- Kausalität -----> Gegenwart
Ursache -------------------- > Wirkung
Naturgesetze
Kosmos
und
KausalitätAristoteles
(384 – 322 v.Chr.)
• Causa materialis Substanz / Materie
• Causa formalis Struktur
• Causa finalis Zweck
• Causa efficiens Anfertigung
Zeit
Urknall:
heisser, dichter, kompakter Anfangszustand des Kosmos
Ursprung
verliert sich
in Ort- und Zeitlosigkeit ?
im Jenseits ??
Zeit
Urknall
Heute
Nullpunkt der Zeit
aus Sicht der
Klassischen Kosmologie
Zeitlos
und / oder
Nichts ?
Stephen Hawkings Hypothese:
Quantenzustand des primordialen Universums
… zum Raum wird hier die Zeit
Im primordialen „Quantenkosmos“
war die Zeit imaginär …….
Betragsquadrat der Wellenfunktion
│Ψ│2 = ΨΨ*
erlaubt die zukünftige Entwicklung des Zustandes eines Quantenobjekts zu berechnen
Quantentheorie
Heisenberg
Schrödinger
Born
Was sind imaginäre Zahlen ?
Komplexe Zahl z = x + i y
ierz r
viu
ZahlkomplexeFunktion
Imaginäre Zahlen und Figuren
Analytische Geometrie
tAtR )(
Gesetz der Expansion
Kosmische Substrat: Elementarteilchen und Strahlung
tAitAR )( t < 0
Extrapolation t < 0
führt auf imaginäre Raumkoordinate …. in klassischer Kosmologie unphysikalisch !!
Was war vor dem Urknall ?
Nullstelle von R(t) = Anfangssingularität
Ursprung
tAtR )(
))((2
)(2
2
xUEmp
xUm
pE
!!imaginärpdann
UE
wenn
d
xdm
itd
xdm
dt
xdmip
)(
Bahn parametrisiert mit imaginärer Zeit !
Hintergrund dieser Hypothese:
Quantenmechanischer Tunneleffekt
Wick – Rotation
Strategie
in der Quantenfeldtheorie
… angewandt auf die Raum-Zeit Geometrie
(3+1)-dimensionale Raum-Zeit
Gian-Carlo Wick
1909 -1992
it
4-dimensionaler
euklidischer Raumanalytische Fortsetzung
222222 tczyxs
2222222 tcizyxs
2222
222222
wzyx
tczyxs
Schrödinger Gleichung für das Universum
Wheeler – De Witt Gleichung
Die Randbedingung des Universums ist,
dass es keine Grenze im Raum und in der Zeit hat:
Imaginäre Zeit macht es möglich
Naturgesetz
Schrödinger-Gleichung des Universums
Wheeler-DeWitt – Gleichung Weltmodell
Anfangsbedingung Randbedingung
Klassische Kosmologie
Rückextrapolation endet
In einer Singularität
Quantentheorie
…. erweitert die Möglichkeiten
der klassischen Kosmologie
Zeit
Zeit
Absoluter Nullpunkt der Zeit
Am Anfang war die Ewigkeit / Zeitlosigkeit
Vor der Zeit gab es keine Zeit
und keine Expansion
Parmenides-Universum
still, starr, ereignislos….
4-dimensionaler
sphärischer Raum
(3+1)-dimensionale
de Sitter Raumzeit
R(t)
t
Raum mehr als
3 Dimensionen (?)
Zeit imaginär
Raum 3 Dimensionen
Zeit 1 Dimension
Der expandierende Weltraum
entspringt einem
zeitlosen Anfangszustand
endlicher Ausdehnung
minR
Die Suche nach dem Quanten-Anfangszustand des Universums:
Zeitloser Raum: 4 Dimensionen ohne Rand
Hypothese von Hartle und Hawking 1983
Vor dem Urknall ist genauso sinnvoll (sinnlos) wie nördlich vom Norpol
Wick - Rotation imaginäre Zeit
hebt Unterschied zwischen räumlicher und zeitlicher Dimension
in der mathematischen Beschreibung der Raumzeit auf…
Zum Raum wird am Anfang die Zeit
Keine
Singularität
Aus der klassischen Allgemeinen Relativitätstheorie
läßt sich nicht ableiten, wie das Universum begonnen hat,
weil alle bekannten Naturgesetze
an der Urknall-Singularität ihre Gültigkeit verlieren!
Die Erkenntnis, dass sich die Zeit wie eine weitere
Raumdimension verhalten kann, bedeutet,
dass wir uns der Frage, ob die Zeit einen Anfang hat,
auf ähnliche Weise entledigen können wie derjenigen, ob
die Welt einen räumlichen Rand hat.
Analogie: Erde und Nordpol - was liegt nördlich des Nordpols ?
Wenn man über Verursachung
oder Schöpfung spricht,
setzt man implizit voraus, dass
es eine Zeit
vor der Urknallsingularität gab.
Die Randbedingung des Universums ist,
dass es keine Grenze im Raum und in der Zeit hat:
Aber in meiner Quantenkosmologie „gilt“:
Die imaginäre Zeit macht die Frage nach dem „vorher“ , d.h.:
das Cauchy‘sche Anfangswertproblem der Physik obsolet –
Aber
Nicht die Frage nach dem Grund der Welt !
Quantentheorie der Gravitation
Quantenkosmologie
Verallgemeinerung der Schrödinger-Gleichung
Wheeler De Witt Gleichung
Hawking - Randbedingung Quantenuniversum
ohne Rand…
Bryce DeWitt (1923-2004)John Wheeler (1911-2008)
Begriff der Raumzeit-Geometrie ist in der Quantenkosmologie
so sinnlos
wie der Begriff einer Teilchenbahn im Atom
Teilchenmechanik Geometrodynamik
© Claus Kiefer https://www.spektrum.de/lexikon/physik/quantengravitation/11859
Bewegungsgleichung Schrödinger-Gleichung Wheeler DeWitt-Gleichung
oder
Feynman - Pfadintegral
Richard Feynman (1918-1988)
Nobelpreis Physik 1965
Entlang welchem Pfad erfolgt die Expansion ?
Am Anfang: Quantenzustand des Universums
Superpositionszustand … viele Möglichkeiten der Expansion
Feynman – Pfadintegral
Berechnung der
Übergangs-Wahrscheinlichkeit
zum klassischen Kosmos
Feynmansches Pfadintegral
Die Kein - Rand - „Randbedingung“(Hartle und Hawking 1981 / 1983)
Das Pfadintegral der Quantenkosmologie
sollte über alle kompakten euklidischen Metriken ausgeführt werden
James Hartle (*1939)
Stephen Hawking (1942-2018)
imaginäre Zeit
)),((exp, gSi
DDgh
)(exp
I
IiS
it
E
Zwischen
Diesseits und Jenseits
liegt der Anfang
….die Planck – Epoche des Universums
Ursprung des Universums
Hawking, Hartle: via „Instabilität“
aus einem zeitlosen 4-dimensionalen Raum
Vilenkin: analog zu einem Quantentunneleffekt aus einer
prä-geometrischen Realität
David Atkatz and Heinz Pagels.
Phys. Rev. D 25, 2065
15 April 1982
Zwischen der Quantenrealität (prä-geometrisches Universum)
und
dem Beginn der klassischen Kosmologie liegt eine Energiebarriere …
Alexander Vilenkin (1988)
Quantum Cosmology and the initial state of the universe
Stephen Hawking
und
die Gottesfrage
2010: The Grand Design
1998: Eine kurze Geschichte der Zeit
…. religiösen Erklärungsmodellen gegenüber noch aufgeschlossen
1. Moderne Physik
lässt keinen Raum für die Annahme supranaturaler Realität.
2. Entstehung des Universums
eine unausweichliche Konsequenz physikalischer Gesetze
Stephen Hawking
September 2010
Naturwissenschaft
Methode: Gott ausgegrenzt
etsi Deus non daretur als gebe es Gott nicht
Religion / Theologie
• Unmöglich ohne Wirklichkeitsverständnis
• Historisch-kritische Analyse der „Offenbarungstexte“
Wer bläst den Gleichungen den Odem ein
und erschafft ihnen ein Universum,
das sie beschreiben können ?Kurze Geschichte der Zeit, Seite 217
Es ereignet sich etwas gemäß den Naturgesetzen,
nicht wegen der Naturgesetze
Frage nach dem Anfang des Kosmos
orientiert an zeitgerichteter Kausalität:
jedes Ereignis hat eine Ursache in der Vergangenheit
endet in einem nicht abschliessbaren infiniten Regreß
was war vor dem davor …
Kant (1781)
Die Welt hat einen Anfang in der Zeit, und ist dem Raum nach auch in Grenzen eingeschlossen.
Die Welt hat keinen Anfang und keine Grenzen im Raume, sondern ist, sowohl in Ansehung der Zeit,
als auch des Raums, unendlich.
Papst Johannes Paul II. sagte uns, es spreche nichts dagegen,
dass der wir uns mit der Entwicklung des Universums
nach dem Urknall beschäftigen…..
Wir sollten aber nicht den Versuch unternehmen,
den Urknall selbst zu erforschen, denn er sei Augenblick der Schöpfung
und damit Gottes Werk.
Ich war froh, dass ihm der Gegenstand meines Vortrags unbekannt war, den ich
gerade auf der Konferenz gehalten hatte: die Möglichkeit, dass die Raumzeit
endlich sei, aber keine Grenzen habe, was bedeuten würde, dass es keinen
Anfang, keinen Augenblick der Schöpfung gibt.
Ich hatte keine Lust, das Schicksal Galileis zu teilen.
Es gibt keine Singularität, an denen die Naturgesetze
ihre Gültigkeit einbüßen, und keinen Raumzeit-Rand,
an dem man sich auf Gott („creatio ex nihilo“)
oder irgendein neues Gesetz berufen müßte,
um die Grenzbedingugen (Anfangsbedingungen)
der Raumzeit festzulegen.
Die Randbedingung des Universums ist,
dass es keine Grenze hat.
Das Universum wäre völlig in sich abgeschlossen, …,
es wäre weder erschaffen noch zerstörbar.
Es würde einfach sein.
Wo wäre dann noch Raum für einen Schöpfer ?
Um vorherzusagen, wie das Universum begonnen hat,
braucht man Naturgesetze, die auch für den Anfang der Zeit gültig sind.
In realer (reeller) Zeit gibt es nur zwei Möglichkeiten:
Entweder erstreckt sich die Zeit unendlich weit in die Vergangenheit,
oder
sie beginnt mit einer Singularität.
Ob die imaginäre Zeit nur ein mathematischer Trick ist, wird kontrovers diskutiert !!!
In imaginärer Zeit gibt es keine Singularität,
an er die Naturgesetze ihre Gültigkeit verlieren;
Das Universum hätte keinen Rand,
an dem man sich auf Gott berufen müßte.
Das Universum würde werde erschaffen noch zerstört.
Es wäre einfach da.
Causa efficiens = zeitgeordnete Kausalität
Anfangszustand ----- Kausalität -----> Gegenwart
Ursache -------------------- > Wirkung
Naturgesetze
Kosmos
und
KausalitätAristoteles
(384 – 322 v.Chr.)
• Causa materialis Substanz / Materie
• Causa formalis Struktur
• Causa finalis Zweck
• Causa efficiens Anfertigung
Zeit
In imaginärer Zeit gibt es
keine Singularität,….
an der die wissenschaftlichen Gesetze
ihre Gültigkeit verlören,
und..
das Universum hat keinen Rand,
an dem man sich auf Gott berufen müßte !
Weil es ein Gesetz wie das
der Schwerkraft gibt, kann sich
ein Universum aus dem Nichts
erschaffen.
Die Hand Gottes
ist zur Erklärung nicht nötig.
Energiesatz und Quantentheorie
Pascual Jordan
1902-1980
Is the Universe a Vacuum Fluctuation?
EDWARD P. TRYON
Nature 246, 396 - 397 (14 December 1973)
R
GMMcVME
EEEE Gkin
222
0
2
1
Gesamtenergie E = 0
02
2 R
GMMcE
0
EE
t
tE
The model predicts a Universe which is
homogeneous, isotropic and closed,
and consists equally of matter and anti-matter.
Richard Feynman(1918-1988)
Werner Heisenberg1901 - 1976
tΔ EΔ
0 E t
E t
EΔ tΔ
uni
uni
E = 0
E1
ΔE
Energie
Unbestimmtheitsrelation
Edward P. Tryon (1973)
Is the universe a
vacuum fluctuation ?
Our Universe is simply
one of those things that
happens from time to time.
Das metaphysische Vakuum gibt es in der Physik nicht !
Es gibt (warum ?, woher ?) das quantentheoretische Vakuum ……!!
Hypothese:
MultiversumEs gibt viele Welten !
In einer oder einigen
in diesem Ensemble
von Universa
gibt es Sterne, Planeten
und Leben
Unser Kosmos:
Inseluniversum im Multiversum …. im Hyperspace ?
Die Entstehung des Universums als Quantenfluktuation aus einem Quantenvakuum,
das sich über einen Tunnelprozeß aus der Quantenrealität entwindet ist kein singuläres Ereignis,
sondern man muß dann die Entstehung einer Vielzahl von Welten (Multiversum) in Betracht ziehen.
Das bietet natürlich die Chance für eine Neuinterpretation des Anthropischen Prinzips.
In dem Ensemble von Welten streuen die kontingenten Naturkonstanten,
manche Welt ist nur sternfreundlich andere auch
Starke
Anthropische Prinzip
wird obsolet
Evolution in the sense of common ancestry might be true,
but evolution in the neo-Darwinian sense –
an unguided, unplanned process of random variation and natural selection - is not.
Any system of thought that denies or seeks to explain away
the overwhelming evidence for design in biology is ideology,
not science.
Now at the beginning of the 21st century, faced with scientific claims like
neo-Darwinism and the multiverse hypothesis in cosmology
invented to avoid the overwhelming evidence for purpose and design
found in modern science, the Catholic Church will again defend human reason
by proclaiming that the immanent design evident in nature is real.
http://www.nytimes.com/2005/07/07/opinion/07schonborn.html
Die Letztfrage, ob wahr ist, was die Grundüberzeugung des christlichen Glaubens
bildet, das die Welt ihren Ursprung (creatio ex nihilo) und ihren tragenden Grund
(creatio continua) in Gott hat, kann nicht durch naturwissenschaftliche Argumente
entschieden werden.
Aber auch das philosophische und theologische Denken stößt hier an seine Grenzen.
Eine letzte Beweisbarkeit der christlichen Grundoption gibt es nicht
Das gilt auch für jede andere Religion !
Prof. Dr. Joseph Kardinal Ratzinger
Sorbonne, Paris 27. November 1999
»2000 ans après quoi?«
http://ivv7srv15.uni-muenster.de/mnkg/pfnuer/Ratzinger-Wahrheit.html
Astro-Physik und Theologie
arbeiten mit Begriffen und Prinzipien begrenzter Tragweite !!
Weder kann man den „Urknall“ als „creatio ex nihilo“ beweisen (z.B. Papst XII. 1952),
noch die Existenz Gottes widerlegen (Hawking > 1990)
Es bleibt: Glaube, Hoffnung oder Ignoranz
Die Sterne
zwingen nicht
sie machen nur geneigt
Johannes Kepler (1571 – 1630)
Stephen Hawking
und die
Philosophie / Wissenschaftstheorie
Naturgesetze sind keine Dekrete
1. Mathematisches Bilder konstanter Verlaufsformen
im Kosmos
2. Naturgeschehen gemäß – nicht wegen der Naturgesetze
3. Naturgesetze sind Strukturen des Geschehens
4. Physikalische Theorien haben eine endliche Tragweite
Heute: Gefüge von Theorien
Relativitätstheorie und Quantentheorie
Die Welt
ist unser Bild von ihr …….
gemalt mit der
Symbolik mathematischer Physik
Realität
• Causa materialis Substanz / Materie
• Causa formalis Struktur
• Causa finalis Zweck
• Causa efficiens Anfertigung
Aristoteles (384 – 322 v.Chr.)
Kosmos
und
Kausalität
Voraussetzungslose Letztbegründung unmöglich
Münchhausen-Trilemma
Jeder Versuch des Beweises eines letzten Grundes führt
- zu einem Zirkelschluss, (die Conclusio soll die Prämisse beweisen,
benötigt diese aber, um die Conclusio zu formulieren)
- zu einem infiniten Regress
(es wird immer wieder eine neue Hypothese über die Begründbarkeit
eines letzten Grundes formuliert, der jedoch wiederum unzureichend )
- zum Abbruch des Verfahrens
Hans Albert (*1921)
Prof. für Philosophie, Uni Mannheim, kritischer Rationalist
Kosmologie weiter auf der Suche nach
Weltmodell und Weltformel
• Annahmen
• Beobachtungen
• Physikalische Theorie = mathematisches Bild der Realität
Keine
- voraussetzungslose Erklärung aller Wirklichkeit
- umfassende Letzterklärung
Stephen Hawking
kann keinen Anti-Gottesbeweis führen,
weil Astro-Physik und physikalische Kosmologie
• von vornherein einen methodischen Atheismus annehmen
• auf die Weltinnenarchitektur fokussiert sind
Die Welt ist in ihrer Einmaligkeit
und ihren strukturellen Gesetzen
nicht aus sich selbst heraus erklärbar.
Es steht also nichts im Weg zu glauben, dass die Welt eingebettet ist
in ein umfangreicheres ( nicht raum-zeitlich) Seiendes,
d.h. dass diese Welt nur ein Aspekt einer viel umfassenderen Wirklichkeit ist.
G.Ludwig (1974): Theoretische Physik IV,489)
Günther Ludwig (1918-2007)
Prof. f. theoret. Physik, Uni Marburg
Es gibt keinen abbild- oder theorieunabhängigen Realitätsbegriff.
Stattdessen:
Modellabhängiger Realismus
Verschiedene Theorien können dasselbe Phänomenmittels grundverschiedener begrifflicher Bezugssysteme beschreiben
Modellabhängiger Realismus
die Vorstellung, dass eine physikalische Theorie oder ein Weltbild
ein (meist mathematisches) Modell ist und einen Satz Regeln besitzt,
die die Elemente des Modells mit den Beobachtungen verbinden.
Das liefert uns ein Gerüst zur Interpretation der Realität.
Unsere Wahrnehmung – und damit die Beobachtungen,
auf die sich unsere Theorien stützen – ist nicht unmittelbar,
sondern wird durch eine Art Linse geprägt,
die Deutungsstrukturen unseres Gehirns. Kant
Es gibt keine ultimative und abschliessende Theorie der Realität
Keine Realität jenseits unserer Erkenntnisverfahren …
Aber auch der ausserirdische wird an Mathematik, Zahlen und Figuren nicht vorbeikommen …..
Ein Universum
Modell 1
Modell 2
Verschiedene Weltmodelle
etc. ..
Sir Karl Popper
1902 - 1994
Theorie ist
„….das Netz das wir auswerfen,
um die Welt einzufangen –
um sie zu rationalisieren,
zu erklären“
Die Physik, das stellt sich damit heraus,
handelt gar nicht von dem materiellen,
inhaltlichen der Wirklichkeit, sondern
was sie erkennt, ist lediglich deren
formale Verfassung.
Hermann Weyl 1885 - 1955
Herrmann Weyl
Georg Philipp Friedrich von Hardenberg (1772 – 1801, Poet und Ingenieur)
Sir Karl Popper
Erkenntnis kann nicht mit nichts beginnen,
aber sie kann auch nicht allein von der Beobachtung ausgehen.
Der Fortschritt unseres Wissens besteht in der Modifikation,
in der Korrektur von früherem Wissen.
Wissenschaft ……
fortwährender Versuch herrschende Theorien und
unverrückbar erscheinende Hypothesen zu falsifizieren
Hawkings Hypothese der imaginären Zeit
ist derzeit weder verifiziert noch falsifiziert,
aber mit mathematischen Problemen belastet…
Status der Hypothesen von Stephen Hawking
Singularitäten-Theoreme akzeptiert
Keine Anfangs- /Urknalls-Singularität spekulativ
Flächentheorem verschmelzender Schwarzer Löcher akzeptiert
Verdampfende Schwarze Löcher plausibel
„Weltformel“ spekulativ
Multiversum spekulativ
Vereinigung von Quantentheorie und Allgemeiner Relativitätstheorie
nocht nicht konsistent gelungen.
Quantenkosmologie … noch immer auf „tönernen Füßen“Literatur: Claus Kiefer (2008): Der Quantenkosmos, (2012): Quantum Gravity Oxford University Press.
Bewertung der Aussagen von Stephen Hawking
zum Thema Gott und die Welt
1. Argument der Kausalität
Wenn das Probelm der zeitgeordneten Kausalität, das Cauchy-Problem
obsolet wird ….. bleibt dennoch die Frage nach dem Grund des Kosmos:
»Warum gibt es etwas und nicht vielmehr nichts?« (G.W.L. Leibniz, 1646 -1716)
2. Argument des Energiesatzes
Wenn Energieformen exakt in der Balance sind E = E (Materie) + E (Gravitation) = 0
wie Stephen H. behauptet, bleibt wieder die Frage nach dem woher der Materie-
und Gravitations-Energie.
3. Physik
- mathematische Beschreibung der Weltinnenarchitektur
- methodischer Atheismus …. etsi deus non daretur
- Naturgeschehen gemäß der Naturgesetze nicht wegen der Naturgesetze
Wir kamen zu spät,
darum blieb uns nichts anderes mehr übrig,
als den prachtvollen Geburtstag der Schöpfung
in (mathematische) Bilder zu kleiden
Georges Lemaitre (1894-1966)
Kosmologie
und
der Anfang der Welt
Anfang und KosmogonieFriedmann, Lematrie, Giamow,…CFW
Steady –State UniversumHoyle, Gold, Bondi (1955)
Anfangs-Singularität nicht-singulärer-Anfang
Quantenfluktuation
im höherdimensionalen Raum
am Anfang war das
Quantenvakuum(Tryon 1973)
Zeitloser Ursprung(Hawkey, Hartle)
Parmenides - WeltUrsprung &
Quantentunneleffekt(Vilenkin, u.a.)
Oszillierendes Universum
(Friedmann; Darbrowski,Barrow)
Bounce
Ursprung war Implosion
Veneziano; Blome,Priester; u.a.
2012
Immer rascher fliegt der Funke,
jede Dschunke und Spelunke
wird auf Wissenschaft bereist,
jede Sonne wird gewogen
und in Rechnung selbst gezogen,
was noch sonnenjenseits kreist.
Immer höhre Wissenstempel,
immer richtger die Exempel,
wie Natur es draußen treibt,
immer klüger und gescheiter,
und wir kommen doch nicht weiter,
und das Lebensrätsel bleibt.
1993
20101988