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

Christoph Kardinal Schönborn

Wien

7. Juni 2005

Finding Design in Nature

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