Die Tatsache, dass wir Computer zur Simulation verschiedener Sachverhalte benutzen können, ist ein gigantischer Sprung im Vergleich zum Stand der Technik vor nur einem Jahrhundert. Deshalb lassen sich Wissenschaftler wie der theoretische Physiker und assoziierte Wissenschaftler am Fermi National Accelerator Laboratory des US-Energieministeriums Michael Wagman in ihrem Bestreben, den zugrundeliegenden Code des Universums zu entschlüsseln, nicht entmutigen. Andrew Pontzen, Professor für Kosmologie am University College London, untermauert in seinem in diesem Jahr erschienenen Buch The Universe in a Box diese Bemühungen, indem er die Fortschritte der Menschheit auf dem Weg zu einer Simulation des Universums aufzeigt.
Vorläufer der Wettervorhersage
Simulationen sind so etwas wie hypothetische Experimente, sagt Pontzen. „Wir stellen hypothetische Situationen in Computern dar, die wir programmiert haben – in unserem Fall mit bestimmten physikalischen Gesetzen – und bitten dann den Computer, die Folgen dieser Situation herauszufinden. Was sollte als nächstes passieren?“
Er sagt, dass neugierige Geister schon seit der Antike auf diese Weise Simulationen durchführen. Vor mehr als 2.000 Jahren benutzten die alten Griechen eine Art rudimentären Computer, den Antikythera-Mechanismus, um das Auftreten astronomischer Ereignisse wie Sonnenfinsternisse zu berechnen.
Die vielleicht erste Erwähnung eines moderneren Simulationskonzepts findet sich jedoch in den Schriften von Ada Lovelace, einer englischen Mathematikerin und Pionierin der Computertechnik. Mitte des 19. Jahrhunderts arbeitete Lovelace mit Charles Babbage zusammen, einem englischen Universalgelehrten und Erfinder, der einen Vorläufer des modernen Computers, die Analytical Engine, entwickelte. Er schaffte es nicht ganz, sie zu bauen, aber sein Ziel war es, eine Maschine zu schaffen, die in der Lage war, eine unendliche Vielfalt von Berechnungen durchzuführen, indem sie einfach kodierte Anweisungen änderte, die ihr auf Pappstreifen zugeführt wurden.
Lovelace erkannte das Potenzial der Analytical Engine, erklärt Pontzen. „Sie schrieb darüber, dass diese Maschine die [theoretische] Wissenschaft von einer Beschäftigung mit abstrakten Gleichungen in etwas viel Praktischeres verwandeln könnte.“
Im frühen 20. Jahrhundert schlug der Mathematiker und Meteorologe Lewis Fry Richardson vor, ein riesiges Amphitheater mit Mathematikern zu bauen, die gemeinsam Simulationen zur Wettervorhersage erstellen sollten. „Er glaubte, dass die Gleichungen der Physik, die beschreiben, wie sich Materialien verhalten, auf das Material in der Erdatmosphäre angewendet werden könnten“, sagt Pontzen. „Das ist im Wesentlichen das, was moderne Simulationen des Wetters heute tun.“
Licht aus der Vergangenheit
Eines der frühesten Beispiele für Computersimulationen, die die Kosmologie voranbrachten, stammt aus der Arbeit von Beatrice Tinsley in den späten 1960er-Jahren. Die Astronomin und Kosmologin (und erste weibliche Astronomieprofessorin an der Yale University) wies mithilfe von Simulationen nach, dass Wissenschaftler bei der Betrachtung ferner Galaxien nicht nur in die Vergangenheit blicken, sondern dass sich das Licht dieser fernen Galaxien mit deren Reifung verändern muss. Dieser Alterungseffekt veränderte die Interpretation der frühen Karten der Kosmologen vom Universum.
„Sie konstruierte diese Simulationen – die nach heutigen Maßstäben als sehr rudimentär gelten würden, aber immer noch als Simulationen erkennbar sind –, in denen sie zeigte, dass nach dem, was wir über das Universum wissen, entfernte und nahe Galaxien sehr unterschiedlich sind“, erläutert Pontzen. „Und in gewissem Sinne ist alles, was wir seither getan haben, ein Beleg für die Vorstellung, dass sich Galaxien im Laufe der Zeit stark verändern.“
Ein kosmisches Problem
Obwohl Wissenschaftler noch nicht in der Lage sind, die gesamte Entwicklung des Universums zu simulieren, ist es ihnen gelungen, mithilfe von Simulationen etwas über Phänomene zu erfahren, die sie nicht direkt nachweisen können. Dazu zählen etwa die dunkle Materie und dunkle Energie.
Die Daten des Hubble-Weltraumteleskops haben zum Beispiel gezeigt, dass sich das Universum immer schneller ausdehnt, „ein Phänomen, das der dunklen Energie zugeschrieben wird“, sagt Pontzen. „Das war sehr aufregend, aber eigentlich keine totale Überraschung, denn Simulationen hatten bereits gezeigt, dass dies wahrscheinlich stimmt.“ Kosmologen und Physiker verwenden Simulationen, um besser zu verstehen, wie das Universum im Laufe der kosmischen Zeit funktioniert: Wie bilden sich bestimmte Strukturen? Wie entwickeln sich typische Galaxien?
Die Simulation spezifischer Aspekte des Universums ist sicherlich hilfreich, aber es ist unmöglich, das Gesamtbild der Funktionsweise des Universums zu erfassen, wenn man nur einen Aspekt betrachtet, sagt Dorota Grabowska, eine theoretische Physikerin und Assistenzprofessorin an der University of Washington. „Wir haben immer noch viele Fragen zur Dynamik des frühen Universums, und es ist wirklich schwer herauszufinden, wie man bestimmte Komponenten davon berechnen kann. Es wäre viel einfacher, wenn ich einfach einen Anfangszustand eingeben könnte, in dem sich das Universum befand, und dann einfach die natürliche Entwicklung mit der Zeit abwarten und Messungen vornehmen könnte. Aber das ist aus einer Vielzahl von Gründen wirklich schwer zu machen.“
Eine Herausforderung besteht darin, dass das Standardmodell der Teilchenphysik drei der vier fundamentalen Kräfte der Natur – die elektromagnetische Kraft, die schwache Kraft und die starke Kraft – erklärt, nicht aber die vierte: die Gravitation. „Wir wissen nicht, wie wir die Schwerkraft simulieren können“, sagt Wagman. „Wir wissen, dass Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie und Newtons Gravitationsgesetz gute Näherungen sind, die bei niedrigen Energien sehr gut funktionieren, aber die Mathematik, die dahinter steckt, bricht zusammen, wenn man versucht, Fragen zu ultrahohen Energiezuständen zu stellen.“ Zu solchen gehören unter anderem die Bedingungen des Urknalls.
Annäherung an die Simulation des Universums
Auch die anderen drei Kräfte sind nicht einfach zu simulieren. Die starke Kraft zum Beispiel regelt die Wechselwirkungen der Elementarteilchen, aus denen Protonen und Neutronen bestehen. Diese Wechselwirkungen, die durch die Quantenchromodynamik (QCD) beschrieben werden, sind so stark gekoppelt, dass es keine klare Abgrenzung gibt, welche Aspekte wichtiger sind als andere, um auch nur Annäherungen zu ermöglichen. „Viele unserer Stift-und-Papier-Methoden, mit denen wir versuchen, sie zu berechnen, funktionieren nicht, weil wir keine Näherungen machen können“, sagt Grabowska.
Um dieses Problem zu umgehen, führen die Wissenschaftler mithilfe von Quantencomputern numerische Simulationen mit statistischen Stichproben durch, die Wahrscheinlichkeiten für verschiedene Ergebnisse liefern – allerdings nur auf einer Zeitskala, die sich von der Realität unterscheidet. „Das heißt, wir simulieren nicht die QCD, wie sie in unserem Universum vorkommt“, erklärt Grabowska. „Wir simulieren ein ähnliches Universum, das direkt angeschlossen werden kann, aber es ist nicht dasselbe.“
Für die kompliziertesten Simulationen haben sich die Wissenschaftler Berechnungen ausgedacht, um zu kompensieren, was sie nicht verstehen, und um Annahmen zu treffen, die auf dem basieren, was sie wissen. „Simulationen des Universums können uns zeigen, was angesichts dessen, was wir bereits wissen, plausibel ist“, sagt Pontzen. „Die Simulationen bringen nur eine Reihe von Vorbehalten mit sich, damit die Simulation funktioniert.“
„Es gibt einfach zu viel Zeug“
Selbst wenn Wissenschaftler herausfinden könnten, wie sie alle vier fundamentalen Kräfte in Echtzeit beschreiben können, und selbst wenn sie alle physikalischen Gesetze verstehen würden, ist die Computerleistung, die sie für die Simulation des Universums benötigen würden, immer noch weit außer Reichweite. Wenn das Ziel darin besteht, alles im Universum in einer Simulation zu erfassen, bedeutet das, dass für jedes Atom im Universum ein Atom in der Simulation vorhanden sein müsste. „Es gibt keinen Computer auf der Erde, der auch nur annähernd in der Lage wäre, dies zu tun“, sagt Pontzen. „Das Universum ist einfach zu komplex. Es gibt einfach zu viel Zeug darin.“
Andererseits, räumt Wagman ein, „werden die Grenzen des Universums, das wir simulieren können, immer größer, sowohl durch die zunehmende Rechenleistung als auch, was noch wichtiger ist, durch die Entwicklung besserer Algorithmen, die es uns ermöglichen, komplexere Dinge effizienter zu simulieren.“
Schritt für Schritt zum Ziel
Simulationen demonstrieren, was plausibel ist, sodass sich Vorhersagen darüber treffen lassen, wie die natürliche Welt funktioniert. In vielen Fällen erweisen sich diese Vorhersagen als richtig.
„Das bedeutet nicht, dass alles richtig ist, und es ist sogar unmöglich, dass alles richtig ist“, sagt Wagman. „Aber es gibt uns eine gewisse Zuversicht, dass wir auf dem richtigen Weg sind. Es lehrt uns etwas, sodass wir weiterhin ein immer genaueres Bild des Universums aufbauen können.“
