Die Messung, die das Universum als Computersimulation enthüllen würde

Eine der am meisten geschätzten Ideen der modernen Physik ist die Quantenchromodynamik, die Theorie, die die starke Kernkraft beschreibt, wie sie Quarks und Gluonen zu Protonen und Neutronen bindet, wie diese Kerne bilden, die selbst wechselwirken. Dies ist das Universum in seiner grundlegendsten Form.

Eine interessante Aufgabe ist es also, die Quantenchromodynamik auf einem Computer zu simulieren, um zu sehen, welche Art von Komplexität entsteht. Das Versprechen ist, dass die Simulation der Physik auf solch einer fundamentalen Ebene mehr oder weniger der Simulation des Universums selbst entspricht.

Es gibt natürlich ein oder zwei Herausforderungen. Die Physik ist unglaublich komplex und funktioniert in einem verschwindend kleinen Maßstab. Selbst mit den leistungsstärksten Supercomputern der Welt ist es den Physikern also nur gelungen, winzige Ecken des Kosmos mit nur wenigen Femometern Durchmesser zu simulieren. (Ein Femtometer ist 10^-15 Meter.)

Das hört sich vielleicht nicht nach viel an, aber der entscheidende Punkt ist, dass die Simulation im Wesentlichen nicht von der Realität zu unterscheiden ist (zumindest soweit wir sie verstehen).

Es ist nicht schwer vorstellbar, dass Fortschritte vom Typ des Mooreschen Gesetzes es Physikern ermöglichen werden, deutlich größere Regionen des Weltraums zu simulieren. Ein Bereich von nur wenigen Mikrometern Durchmesser könnte die gesamte Funktionsweise einer menschlichen Zelle umfassen.

Auch hier wäre das Verhalten dieser menschlichen Zelle nicht von der Realität zu unterscheiden.

Es ist diese Denkweise, die Physiker dazu zwingt, die Möglichkeit in Betracht zu ziehen, dass unser gesamter Kosmos auf einem enorm leistungsfähigen Computer laufen könnte. Wenn ja, könnten wir es jemals wissen?

Heute bekommen wir eine Art Antwort von Silas Beane von der Universität Bonn in Deutschland und ein paar Kumpels. Sie sagen, dass es eine Möglichkeit gibt, Beweise dafür zu sehen, dass wir simuliert werden, zumindest in bestimmten Szenarien.

Zuerst einige Hintergründe. Das Problem bei allen Simulationen besteht darin, dass die scheinbar stetig erscheinenden physikalischen Gesetze einem diskreten dreidimensionalen Gitter überlagert werden müssen, das in Zeitschritten fortschreitet.

Die Frage, die Beane und Co. stellen, ist, ob der Gitterabstand den physikalischen Prozessen, die wir im Universum sehen, irgendeine Art von Einschränkung auferlegt. Sie untersuchen insbesondere hochenergetische Prozesse, die kleinere Regionen des Weltraums untersuchen, wenn sie energiereicher werden

Was sie finden, ist interessant. Sie sagen, dass der Gitterabstand der Energie, die Teilchen haben können, eine grundlegende Grenze auferlegt. Denn es kann nichts geben, was kleiner ist als das Gitter selbst.

Wenn unser Kosmos also nur eine Simulation ist, sollte das Spektrum der hochenergetischen Teilchen abgeschnitten sein.

Es stellt sich heraus, dass es genau diese Art von Abschneide in der Energie der Teilchen der kosmischen Strahlung gibt, eine Grenze, die als Greisen-Zatsepin-Kuzmin- oder GZK-Abschneidegrenze bekannt ist.

Dieser Cut-off wurde gut untersucht und kommt zustande, weil hochenergetische Teilchen mit dem kosmischen Mikrowellenhintergrund wechselwirken und so Energie verlieren, wenn sie lange Distanzen zurücklegen.

Aber Beane und Co. berechnen, dass der Gitterabstand dem Spektrum einige zusätzliche Eigenschaften auferlegt. Das auffälligste Merkmal ist, dass die Winkelverteilung der höchsten Energiekomponenten im Ruhesystem des Gitters eine kubische Symmetrie aufweisen würde, die deutlich von der Isotropie abweicht, heißt es.

Mit anderen Worten, die kosmische Strahlung würde sich bevorzugt entlang der Gitterachsen ausbreiten, sodass wir sie nicht in alle Richtungen gleich sehen würden.

Das ist eine Messung, die wir jetzt mit der aktuellen Technologie durchführen könnten. Den Effekt zu finden wäre gleichbedeutend damit, die Orientierung des Gitters, auf dem unser Universum simuliert wird, „sehen“ zu können.

Das ist cool, sogar umwerfend. Aber die Berechnungen von Beane und Co sind nicht ohne einige wichtige Vorbehalte. Ein Problem besteht darin, dass das Computergitter möglicherweise ganz anders aufgebaut ist, als es sich diese Jungs vorstellen.

Zum anderen ist dieser Effekt nur messbar, wenn der Gitterschnitt gleich dem GZK-Grenzwert ist. Dies tritt auf, wenn der Gitterabstand etwa 10^-12 Femtometer beträgt. Wenn der Abstand deutlich kleiner ist, sehen wir nichts.

Trotzdem lohnt es sich sicher zu suchen, allein schon um auszuschließen, dass wir Teil einer solchen Simulation sind, aber insgeheim in der Hoffnung, ein für alle Mal gute Beweise für unsere Roboter-Overlords zu finden.

Ref: arxiv.org/abs/1210.1847 : Beschränkungen des Universums als numerische Simulation

verbergen