Ein Boltzmann-Gehirn am Ende der Zeit

Am 10. November 2020 veröffentlicht von Erwin Völkening

Dieser Beitrag geht von einem „Heat Death“ des Universums aus, das bedeutet, dass das Universum sich immer weiter ausdehnt und alle verfügbare Energie im Universum eines Tages gleichmäßig verteilt und somit für keinen Prozess mehr nutzbar ist. Es existieren aber auch andere Prognosen für das Schicksal des Kosmos. Laufen die uns aktuell bekannten Entwicklungen im Universum allerdings weiterhin so ab, wie wir aktuell beobachten, ist der „Heat Death“ ein wahrscheinliches Szenario.

Der Weg zum Stillstand

In dem Moment, in dem der letzte Stern im Universum geboren wird und den letzten freien Wasserstoff aller Existenz zur Kernfusion entzündet, hat das Universum mit einem Alter von ca. 100 Billionen Jahren seinen entwicklungsgeschichtlichen „Tag“ noch nicht wirklich begonnen. Ja nicht einmal, dass dieser Moment – der Beginn der degenerativen Ära – in der 24-Stunden-Analogie einfach vor der ersten Tasse Kaffee anzuordnen sei. Vielmehr ist das Universum zu diesem Zeitpunkt noch so weit entfernt vom Ende des Tages (aller Tage), dass der Nervenimpuls zum Aufwachen gerade erst entsteht.

Einen lächerlich großen Teil der Existenz des Universums – nimmt man den Heat Death als Ende an – verbringt es in absoluter Dunkelheit. In ca. 120 Billionen Jahren werden die wenigen verbliebenen Sterne ihren letzten Fusionstreibstoff aufbrauchen und ganz, ganz langsam beginnen, für immer abzukühlen. In einer Trillion Jahren schließlich wird sogar unsere Sonne so kalt sein, dass Wasserstoff bei Normaldruck gefrieren könnte.

Das gleiche Schicksal erfahren alle anderen Sternüberreste im Universum ebenfalls, und für das Leben essenzielle, nutzbare Energie wird unsagbar knapp. Im Zeitraum von etwa 10 bis 100 Quadrillionen Jahren nach heute hört dann auch das Konzept einer Galaxie auf zu existieren und die ausgebrannten, kalten Überreste der Sterne werden entweder in die ewige Dunkelheit hinausgeschleudert oder stürzen in ein schwarzes Loch im Zentrum ihrer Galaxie. So treiben von da an nur noch einzelne, durch das expandierende Universum unerreichbar voneinander getrennte Sternenleichen und schwarze Löcher durchs Nichts.

Ab hier beginnt nun das wirkliche Ende von Allem. Allerdings sind die Unsicherheiten in unseren Modellen und allgemein die Zeitspannen der Prozesse, die nun stattfinden so gewaltig, dass die gesamte Geschichte davor hier etliche Male (ca. 1020 mal, je nach Modell noch viel öfter) unterzubringen wäre. Hier findet der Übergang zur Ära der schwarzen Löcher statt. Wir gehen davon aus, dass alle Materie im Universum auf diesen Zeitskalen vermutlich zerfällt und somit auch von den einzelnen, verbliebenen Sternüberresten nichts mehr vorhanden ist.

Die mit unglaublichem Abstand längste Zeit des für Leben „bewohnbaren“ Universums beginnt nun – mit einem Universum, das nichts als schwarze Löcher beinhaltet, die allerdings als letzte verbliebene Inseln im Nichts immer noch in der Lage sind, per Hawking-Strahlung nutzbare Energie zu liefern. Das für die Hawking-Strahlung entscheidende Konzept der Vakuum-Fluktuation beschreibt, dass im Universum permanent, spontan aus dem Nichts, Teilchen und Antiteilchen entstehen. Normalerweise hat dieser Prozess keinen Effekt, da diese Paare sich augenblicklich wieder annihilieren (gegenseitig vernichten). Findet dieser Prozess jedoch am Ereignishorizont eines schwarzen Lochs statt, kann unter Umständen ein Teilchen des Paares in das Schwarze Loch hineinstürzen und das andere als energetisches Teilchen abgestrahlt werden. Eine theoretische Zivilisation in ferner, ferner Zukunft kann diese Energie nutzen und somit unter diesen Bedingungen viel, viel länger existieren, als es in unserer sternenbeleuchteten Phase des Universums Zeit gäbe.

Allerdings bedeutet Hawking-Strahlung auch, dass selbst die Ära der schwarzen Löcher irgendwann ein Ende findet. Jedes Mal, wenn Hawking-Strahlung von einem schwarzen Loch abgegeben wird, verliert dieses an Masse, sodass irgendwann, nach einer Zeit in der Größenordnung von mindestens einem Googol (10100-10108 Jahre) auch die größten, supermassiven schwarzen Löcher „verdampft“ sind.

Die nun folgende, letzte und womöglich ewige Ära des Universums dürfte nun wirklich das Ende allen möglichen Lebens und jeder Zivilisation markieren. Das All ist nun endgültig leer, dunkel, kalt und – abgesehen von einzelnen Photonen, Elektronen, Positronen und Neutrinos und spontaner Vakuum-Fluktuation – gänzlich leer.

Wege aus dem Nichts

Doch eigentlich wird es erst hier wirklich spannend, denn unendliche Zeitskalen, die Ewigkeit eben, machen Wahrscheinlichkeiten zu Sicherheiten. Der Spruch „Alles ist nur eine Frage der Zeit“ ist das Motto des Universums nach dem Universum.

Die Entropie nach Ludwig Boltzmann, einem österreichischen Physiker und Philosoph, beschreibt die Anzahl von möglichen Mikrozuständen eines Systems. Sie erklärt, wie viele mögliche Kombinationen von Zustandseigenschaften – zum Beispiel Position und Impuls – für alle vorhandenen Teilchen zur Verfügung stehen. Die Thermodynamik besagt hiermit, dass jedes System einer Erhöhung dieser Entropie zustrebt. Umgangssprachlich heißt dies, dass die Unordnung sich permanent erhöht. Da sich die Eigenschaften der Teilchen jedoch zufällig verteilen, ist es durchaus möglich, wenn auch unwahrscheinlich, dass sich beispielsweise alle Moleküle in einem Fußball gleichzeitig nach oben bewegen und der Fußball somit nach oben steigt. Diese lokalen, spontanen Entropieabnahmen sind auf klassischen Zeitskalen aufgrund der schieren Masse möglicher Kombination nahezu ausgeschlossen, allerdings immer möglich!

Auf den Zeitskalen am Ende des Universums – und in unendlicher Zeit mit absoluter Sicherheit – finden derartige Vorgänge statt, und so können die einzelnen Teilchen sich plötzlich spontan zusammenlagern und eine geordnete Struktur bilden. Und da dies in jeder erdenklichen Kombination stattfinden kann, ist dies auch mit einem denkenden Gehirn, einem Boltzmann-Gehirn möglich, dass urplötzlich aus dem Nichts im Vakuum entsteht und zu denken beginnt. Man geht davon aus, dass es
ca. 10100 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 Jahre dauert, bis ein solches Ereignis eintritt. Ein anderer Ansatz ist die bei der Hawking-Strahlung angesprochene Vakuum-Fluktuation, bei der selbstverständlich auch zwei oder mehr Teilchenpaare gleichzeitig entstehen können, und wenn man lange genug wartet, auch ein ganzes denkendes Gehirn gebildet werden kann, das nach nur einem Gedanken durch Annihilation mit dem parallel entstandenen „Anti-Gehirn“ wieder verschwindet.

Doch es geht noch extremer: Gemäß dem poincaréschen Wiederkehrsatz müssten dynamische Systeme wie das Universum, gibt man ihnen genug Zeit, irgendwann wieder ihre Anfangszustände durchlaufen. Das bedeutet, dass die Prozesse, die zur Entstehung eines Boltzmann-Gehirns führen können, auch ein komplettes neues Universum hervorbringen könnten. Die erwartete Zeitspanne für ein solches Ereignis liegt bei etwa 10(10 ^ 100 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000) Jahren, das bedeutet 10 hoch 100.000 mal die Zahl an Jahren bis zur Entstehung eines Boltzmann-Gehirns.

Diese Zeitspanne bedeutet, dass, bevor ein mögliches neues Universum zu erwarten wäre, gewaltige Mengen von Boltzmann-Gehirnen entstanden sein würden und somit ihre Zahl die der „normalen“, natürlich entstandenen Gehirne womöglich um einen unfassbar hohen Faktor überschreitet.
Diese Tatsache hat – ähnlich wie bei der Simulationshypothese – eine interessante Implikation: Statistisch gesehen ist es wahrscheinlicher, dass der/die Leser/in dieses Artikels nicht etwa ein Mensch im Sol-System, sondern ein halluzinierendes Boltzmann-Gehirn am Ende aller Zeit ist. Auch ist es durchaus möglich, dass unsere gesamte Realität dem Traum eines solchen, spontan entstandenen Gehirns oder Computers entspringt.

Allerdings ist diese Annahme selbstverständlich nicht falsifizierbar und wird wohl, ähnlich wie die Simulationshypothese, eines dieser Gedankenexperimente bleiben, die für immer ungelöst sein werden.
… Es sei denn natürlich, dein Boltzmann-Gehirn öffnet ausgerechnet jetzt seine Augen.

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