Feinabstimmung der Naturkonstanten

Als Feinabstimmung des Universums wird in der Kosmologie die genaue Abstimmung der Größe von Naturkonstanten in den gegenwärtigen physikalischen Theorien zur Beschreibung des beobachtbaren Universums bezeichnet, die von manchen Kosmologen für notwendig erachtet wird, um die Entstehung von komplexen Systemen wie Sonnensystemen oder menschliche Wesen überhaupt erst zu ermöglichen. Inwieweit eine Feinabstimmung tatsächlich existiert oder ob sie nur ein Artefakt der bisher letztlich unvollständigen physikalischen Theorien ist, ist noch nicht geklärt.

Konstanten, für welche Feinabstimmung postuliert wurde

Für folgende physikalischen Konstanten wird angenommen, dass sie 'feinabgestimmt' sind :

Feinabstimmung der Kräfte

Die Wechselwirkungskonstanten der vier Grundkräfte der Physik – starke Wechselwirkung, schwache Wechselwirkung, Elektromagnetismus und Gravitation – müssen, sofern das Feinabstimmungsargument zutrifft, auf wenige Prozent genau abgestimmt sein, um Leben, wie wir es kennen, zu ermöglichen. So bestimmen zum Beispiel die Halbwertszeit und die Kernenergie-Niveaus von Beryllium-8 wesentlich, in welchem Ausmaß und wie rasch die Nukleosynthese von Kohlenstoff-12 in den Sternen vonstatten geht. Siehe auch Drei-Alpha-Prozess.

Feinabstimmung der Expansionsrate

Nach dieser Ansicht darf die Expansion des Universums einerseits nicht so schwach sein, dass das Universum nach kurzer Zeit wieder kollabiert (kurze Zeit bedeutet hier nach wenigen Jahrmillionen), andererseits nicht so stark bzw. die Materieverteilung nicht so dünn sein, dass die Entstehung von Sonnen und Galaxien verhindert wird. Im heutigen kosmologischen Standardmodell wird die Expansionsrate durch die Massedichte bestimmt, welche – sofern man keine Modifikationen im Standardmodell einführt – zu Beginn des Universums auf den winzigen Faktor von $1:10^{57}$ genau mit der sogenannten kritischen Dichte abgestimmt sein müsse, um die Entstehung von Sonnensystemen und Galaxien zu ermöglichen.

Feinabstimmung der Vakuumenergie

Die Vakuumenergie hat einen großen Einfluss auf die Allgemeine Relativitätstheorie und besteht selbst aus verschiedenen Beträgen anderer Naturkonstanten. Schon durch eine Abweichung von mehr als $1:10^{120}$ in einem der Teilbeträge würde die Vakuumenergie so stark verändert, dass das Leben, wie wir es kennen, nicht möglich wäre.

Feinabstimmung der Masse der Elementarteilchen

Die Massen der Elementarteilchen Elektron, Proton und Neutron dürfen nur wenig von ihren jetzigen Werten abweichen, um Atome und Moleküle und damit kohlenstoffbasiertes Leben in diesem Universum zu ermöglichen.

'Feinabstimmung' der Dimensionen

Vielleicht nicht eine Feinabstimmung im herkömmlichen Sinn, aber dennoch in diesem Zusammenhang erwähnenswert, ist die Zahl der Dimensionen des Universums. Man geht davon aus, dass ein Universum im Prinzip beliebig viele Dimensionen haben kann. Um jedoch Strukturen wie ein Gehirn oder einen Verdauungstrakt ermöglichen zu können, müssen mehr als zwei Dimensionen vorgegeben sein. Und bei einem mehr als dreidimensionalen Universum sind sowohl Atome wie auch Planetenbahnen instabil.

Mögliche Erklärungen

Eine endgültige Bewertung der Feinabstimmung des Universums ist zurzeit nicht möglich. Inwieweit Feinabstimmung überhaupt existiert, ist noch nicht endgültig geklärt. Zwar dürften selbst kleine Änderungen der Konstanten kohlenstoffbasiertes Leben, wie wir es kennen, unmöglich machen, aber ob damit auch jegliche andere Form von Leben unmöglich gemacht wird, steht noch zur Diskussion (die Fokussierung auf kohlenstoffbasiertes Leben wird in diesem Zusammenhang auch Kohlenstoffchauvinismus genannt). Einerseits wird argumentiert, dass bei Änderung der Naturkonstanten andere, nicht-kohlenstoffbasierte Lebensformen möglich seien, andererseits werden oft einige generell nötige Eigenschaften angeführt, die ein Universum benötigt, um Leben zuzulassen. So wird beispielsweise das Vorhandensein von Entropiegradienten meist als eine grundlegende Voraussetzung für alle Formen von Leben – soweit in naturwissenschaftlichen Begriffen definierbar – angesehen. Könnte man für eine bestimmte Konstante also zeigen, dass bereits bei kleiner Variation keine Entropiegradienten mehr im Universum existieren können (wenn dann beispielsweise nur homogenes verdünntes Wasserstoffgas existieren könnte), wäre das ein starkes Argument für eine tatsächliche Feinabstimmung dieser Konstante im Rahmen der gegenwärtigen Standardtheorien.

Falls die Feinabstimmung bezüglich der gegenwärtigen physikalischen Theorien existiert, wird nach einer stärkeren Begründung gesucht, da purer Zufall hier allgemein als unbefriedigende Erklärung gilt. Alle Erklärungen sind zur Zeit in drei Kategorien unterteilbar, deren Übergänge allerdings fließend sind und die sich nicht unbedingt gegenseitig ausschließen müssen:

Fundamentalere Theorie ohne feinabgestimmte Konstanten

Nach dieser Vorstellung ist die Feinabstimmung nur scheinbar bzw. ein Artefakt, das daher rührt, dass die gegenwärtigen physikalischen Theorien bekanntermaßen nicht fundamental, sondern nur Annäherungen an eine noch zu entwickelnde fundamentalere physikalische Theorie sind. Die hohe Anzahl der Konstanten in den gegenwärtigen Theorien wird an sich als unelegant angesehen, und es wird erwartet, dass eine fundamentalere Theorie entweder gar keine oder nur sehr wenige Konstanten aufweisen würde. Mit den Konstanten würde somit auch die Feinabstimmung weitgehend oder vollständig verschwinden. Solch eine grundlegendere physikalische Theorie wäre also notwendig, um diese Frage nach der Feinabstimmung letztendlich zu entscheiden. Im Fall einer fundamentalen Theorie ohne Feinabstimmung würden 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 einer tatsächlichen Feinabstimmung. Als Kandidat für so eine grundlegende Theorie wird unter anderem die Superstringtheorie gehandelt.

Ensemble-Hypothese und Anthropisches Prinzip

Die Feinabstimmung existiert zwar in dem für uns beobachtbaren, lokalen Teil des Universums, ist aber genaugenommen kein Zufall. Sie erklärt sich daraus, dass wir nur feinabgestimmte Universen bzw. Teile von Universen beobachten können, da wir nur dort existieren können. Ein vorgegebener Sinn oder ein vorgegebenes Ziel des Universums ist hier zur Erklärung nicht notwendig. Dazu zählt auch die Hypothese des Multiversums: Anstatt einem einzigen (unserem Universum) gibt es unendlich viele Paralleluniversen. Jedes einzelne Universum hat andere physikalische Eigenschaften und unser Universum ist 'zufälligerweise' in der Lage, Leben zu ermöglichen. Auch wird das Anthropische Prinzip in Verbindung mit einem einzelnen unendlich oder zumindest hinreichend großen Universum, wie es gegenwärtige astronomische Beobachtungsdaten nahelegen, zur Erklärung der Feinabstimmung diskutiert.

Es wurde teilweise vermutet, dass ein Multiversum selbst auch feinabgestimmte Naturkonstanten haben muss, so dass dies nur eine Verlagerung der Fragestellung bedeutet. Der Physiker Max Tegmark entgegnet hier, dass dies, insofern es überhaupt ein echtes Problem sei, umgangen werden kann, indem Multiversen angenommen werden, in denen alle möglichen (mathematischen beschreibbaren) Meta-Gesetze vorkommen. Mathematisch nicht beschreibbare Multiversen spielen keine Rolle, da auch Konstanten mathematische Grössen sind, und es deswegen in mathematisch nicht beschreibbaren Multiversen keinen Sinn ergibt, von feinabgestimmten Konstanten zu sprechen.

Teleologische Erklärung

Anhänger 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, so dass das Universum lebensfreundliche Bedingungen aufweise. Es gäbe einen zielgerichteten Sinn, der sich möglicherweise auf Grund der Beschränktheit des menschlichen Geistes diesem aber nicht bzw. noch nicht erschließe. Vertreten wird diese Hypothese z.B. vom Theologen Richard Swinburne.

Diese teleologische Hypothese wird fast ausschliesslich im theologischen und philosophischen Bereich diskutiert und steht auch dort unter heftigen Beschuss. Neben Einwänden, welche allgemein die Gültigkeit teleologischer Hypothesen innerhalb von wissenschaftlichen Erklärungen betreffen, gibt es gravierende Einwände, welche die Argumentation der Teleologie-Anhäger geradezu umkehrt. So argumentiert E.Sober, sowie M. Ikeda und B. Jefferys , dass die Annahme eines ansonsten unspezifizierten Schöpfers keine Erklärung für die Feinabstimmung des Universums liefere, da ein solcher 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 einen Schöpfer, der machtvoll genug wäre Universen zu erschaffen, sicher auch möglich in diesem ansonsten lebensfeindlichen Universum an einem lokalen Ort für Bedingungen zu sorgen, welche Leben ermöglichen würden. Oder wenn etwa die Wechselwirkungkonstanten der Kräfte nicht die korrekten Grössen hätten, so dass Kohlenstoff-12 nicht auf natürlichem Wege entstehen könnte, so könnte ein solch machtvoller 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 also keine Grund ein feinabgestimtes Universum zu erwarten und demnach bietet die teleologische Hypothese also keine wirkliche Erklärung für eine Feinabstimmung des Universums. Aber M. Ikeda und B. Jefferys führen die Argumentation noch weiter; für sie ist die Feinabstimmung eine kraftvolle Bestätigung des Naturalismus, d.h der Annahme, dass in unserem Universum alles mit "rechten Dingen" zugeht, also gesetzesmässig und ohne übernatürliche Eingriffe. Sie argumentieren, dass gerade eine eventuelle Beobachtung, dass das Universum in dem wir leben nicht feinabgstimmt und eigentlich für Leben ungeeignet wäre auf einen Schöpfer hinweisen würde, die Beobachtung der Feinabstimmung hingegen aber nur Sinn mache, wenn sich unser Universum streng gesetzesmässig verhalte. Nur in diesem Fall sei eine Feinabstimmung wirklich Voraussetzung für Leben. Als Beipiel zur Verdeutlichung kann etwa eine Arumentation Fred Hoyles gelten. Jener konnte 1954 auf Basis der Existenz kohlenstoffbasierten Lebens nur deswegen erfolgreich das Vorhandesein bestimmter zur Produktion von Kohlenstoff-12 notwendigen Kern-Zwischenzustände voraussagen, weil er implizit von einem streng gesetzmässig ablaufenden naturalistischem Universum ausging; die Annahme eines Universums, in dem übernatürliche Eingriffe vorkommen hätte diese Prognose nicht erlaubt.

Weblinks

• Vortrag über die Feinabstimmung von Prof. P. Hägele von der Uni Ulm (Dokument als pdf)
• A Designer Universe? Vortrag des Nobelpreisträgers Steven Weinberg (englisch)
• [6] aus der Fernseh-Sendereihe alpha-Centauri (ca. 15 Minuten). Erstmals ausgestrahlt am  .