Das Universum ist gewaltig. Wir leben in einer Galaxie, der Milchstraße. In der Milchstraße gibt es etwa einhundert Milliarden Sterne. Und wenn Sie Ihre Kamera auf einen beliebigen Punkt im Himmel richten und Sie die Blende geöffnet halten, dann werden Sie so etwas wie das hier zu sehen bekommen, solange Ihre Kamera mit dem Hubble-Weltraumteleskop verbunden ist. Jeder dieser kleinen Flecken ist eine Galaxie etwa so groß wie unsere Milchstraße - hundert Milliarden Sterne in jedem dieser Flecken. Es gibt etwa einhundert Milliarden Galaxien im sichtbaren Universum. 100 Milliarden ist die einzige Zahl, die Sie wissen müssen. Das Alter des Universums, zwischen jetzt und dem Urknall, beträgt einhundert Milliarden Hundejahre. (Lachen) Was Ihnen etwas über unsere Stellung im Universum verrät.
The universe is really big. We live in a galaxy, the Milky Way Galaxy. There are about a hundred billion stars in the Milky Way Galaxy. And if you take a camera and you point it at a random part of the sky, and you just keep the shutter open, as long as your camera is attached to the Hubble Space Telescope, it will see something like this. Every one of these little blobs is a galaxy roughly the size of our Milky Way -- a hundred billion stars in each of those blobs. There are approximately a hundred billion galaxies in the observable universe. 100 billion is the only number you need to know. The age of the universe, between now and the Big Bang, is a hundred billion in dog years. (Laughter) Which tells you something about our place in the universe.
Eins, was Sie mit einem Bild wie diesem machen können, ist, es einfach zu bewundern. Es ist wunderschön. Ich habe mich oft gefragt, worin der Selektionsdruck, der unsere Urahnen in der Steppe dazu veranlasste, sich anzupassen und weiterzuentwickeln, besteht, sich an Bildern von Galaxien zu erfreuen, wenn sie keine besaßen. Aber wir würden es auch gerne begreifen. Als Kosmologe möchte ich fragen, warum ist das Universum so, wie es ist? Ein entscheidender Hinweis, den wir haben, ist, dass das Universum sich mit der Zeit verändert. Wenn Sie sich eine dieser Galaxien anschauen und ihre Geschwindigkeit messen würden, würden Sie feststellen, dass sie sich von Ihnen fortbewegt. Und wenn Sie sich eine Galaxie anschauen würden, die weiter entfernt ist, würde sich diese schneller entfernen. Also sagen wir, dass das Universum sich ausdehnt.
One thing you can do with a picture like this is simply admire it. It's extremely beautiful. I've often wondered, what is the evolutionary pressure that made our ancestors in the Veldt adapt and evolve to really enjoy pictures of galaxies when they didn't have any. But we would also like to understand it. As a cosmologist, I want to ask, why is the universe like this? One big clue we have is that the universe is changing with time. If you looked at one of these galaxies and measured its velocity, it would be moving away from you. And if you look at a galaxy even farther away, it would be moving away faster. So we say the universe is expanding.
Was das natürlich bedeutet, ist, dass die Dinge in der Vergangenheit näher beieinander lagen. In der Vergangenheit war das Universum dichter und zudem heißer. Wenn man Dinge zusammenpresst, steigt die Temperatur. Das ergibt für uns grundsätzlich Sinn. Was für uns nicht so viel Sinn ergibt, ist, dass das Universum in früheren Zeiten, kurz nach dem Urknall, auch sehr, sehr gleichmäßig war. Sie mögen denken, das sei nicht überraschend. Die Luft in diesem Raum ist sehr gleichmäßig verteilt. Sie mögen sagen: "Naja, vielleicht haben sich die Dinge einfach von allein ausgeglichen." Aber die Gegebenheiten kurz nach dem Urknall waren völlig anders als die Gegebenheiten der Luft in diesem Raum. Insbesondere waren die Dinge viel dichter. Die Gravitationskraft der Dinge war sehr viel größer kurz nach dem Urknall.
What that means, of course, is that, in the past, things were closer together. In the past, the universe was more dense, and it was also hotter. If you squeeze things together, the temperature goes up. That kind of makes sense to us. The thing that doesn't make sense to us as much is that the universe, at early times, near the Big Bang, was also very, very smooth. You might think that that's not a surprise. The air in this room is very smooth. You might say, "Well, maybe things just smoothed themselves out." But the conditions near the Big Bang are very, very different than the conditions of the air in this room. In particular, things were a lot denser. The gravitational pull of things was a lot stronger near the Big Bang.
Was Sie bedenken müssen, ist, dass wir es mit einem Universum zu tun haben mit einhundert Milliarden Galaxien, mit je einhundert Milliarden Sternen. In frühen Zeiten waren diese einhundert Milliarden Galaxien in einem Raum zusammengepresst, der in etwa so groß war - wortwörtlich, in frühen Zeiten. Und Sie müssen sich dieses Zusammenpressen vorstellen ohne jegliche Unregelmäßigkeiten, ohne jegliche Punkte, an denen es ein paar mehr Atome gab als anderswo. Denn wenn das der Fall gewesen wäre, wären sie unter der Gravitationskraft kollabiert zu einem riesigen schwarzen Loch. Das Universum in frühen Zeiten völlig gleichmäßig zu halten war nicht einfach, es war ein empfindliches Gefüge. Das ist ein Hinweis darauf, dass das frühe Universum nicht willkürlich ausgewählt wurde. Es gibt etwas, dass es so gemacht hat, wie es ist. Wir würden gerne wissen, was.
What you have to think about is we have a universe with a hundred billion galaxies, a hundred billion stars each. At early times, those hundred billion galaxies were squeezed into a region about this big -- literally -- at early times. And you have to imagine doing that squeezing without any imperfections, without any little spots where there were a few more atoms than somewhere else. Because if there had been, they would have collapsed under the gravitational pull into a huge black hole. Keeping the universe very, very smooth at early times is not easy; it's a delicate arrangement. It's a clue that the early universe is not chosen randomly. There is something that made it that way. We would like to know what.
Ein Teil unseres Wissens hierüber wurde uns von Ludwig Boltzmann geliefert, einem österreichischen Physiker aus dem 19. Jahrhundert. Und Boltzmanns Beitrag bestand darin, dass er uns half, Entropie zu verstehen. Sie haben sich von Entropie gehört. Es handelt sich dabei um die Willkürlichkeit, die Unordnung, das Chaos mancher Systeme. Boltzmann lieferte uns eine Formel - jetzt eingraviert in seinen Grabstein - die wirklich quantifiziert, was Entropie ist. Und im Grunde besagt sie einfach, dass Entropie die Anzahl der Arten und Weisen ist, auf die wir die Komponenten eines Systems umorganisieren können, ohne dass man eine Veränderung bemerkt, so dass es makroskopisch genau gleich aussieht. Betrachtet man sich die Luft in diesem Raum, nimmt man nicht jedes einzelne Atom wahr. In einer Konfiguration mit niedriger Entropie gibt es nur wenige Anordnungen, die so aussehen. In einer Konfiguration mit hoher Entropie gibt es viele Anordnungen, die so aussehen. Dies ist eine äußerst wichtige Erkenntnis, weil es uns dabei hilft, das zweite Gesetz der Thermodynamik zu erklären - das Gesetz, das besagt, das die Entropie im Universum zunimmt, oder in einem begrenzten Teil des Universums.
So part of our understanding of this was given to us by Ludwig Boltzmann, an Austrian physicist in the 19th century. And Boltzmann's contribution was that he helped us understand entropy. You've heard of entropy. It's the randomness, the disorder, the chaoticness of some systems. Boltzmann gave us a formula -- engraved on his tombstone now -- that really quantifies what entropy is. And it's basically just saying that entropy is the number of ways we can rearrange the constituents of a system so that you don't notice, so that macroscopically it looks the same. If you have the air in this room, you don't notice each individual atom. A low entropy configuration is one in which there's only a few arrangements that look that way. A high entropy arrangement is one that there are many arrangements that look that way. This is a crucially important insight because it helps us explain the second law of thermodynamics -- the law that says that entropy increases in the universe, or in some isolated bit of the universe.
Der Grund, warum die Entropie zunimmt, ist, dass es sehr viel mehr Arten und Weisen gibt, eine hohe Entropie zu haben als eine niedrige Entropie zu haben. Das ist eine wunderbare Erkenntnis, aber sie lässt etwas aus. Übrigens ist die Erkennis, das die Entropie zunimmt, das, was sich hinter dem sogenannten Zeitpfeil verbirgt, dem Unterschied zwischen Vergangenheit und Zukunft. Jeder Unterschied, den es zwischen der Vergangenheit und der Zunkuft gibt, existiert, weil Entropie zunimmt - die Tatsache, dass Sie sich an die Vergangenheit, nicht aber an die Zukunft erinnern können. Der Grund dafür, dass Sie geboren werden, leben und dann sterben, immer in dieser Reihenfolge, ist, dass Entropie zunimmt. Boltzmann erklärte, dass es, wenn man mit einer niedrigen Entropie beginnt, natürlich ist, dass diese zunimmt, da es mehr Möglichkeiten für eine Anordnung mit hoher Entropie gibt. Was er nicht erklärte, war, warum die Entropie überhaupt jemals niedrig war.
The reason why entropy increases is simply because there are many more ways to be high entropy than to be low entropy. That's a wonderful insight, but it leaves something out. This insight that entropy increases, by the way, is what's behind what we call the arrow of time, the difference between the past and the future. Every difference that there is between the past and the future is because entropy is increasing -- the fact that you can remember the past, but not the future. The fact that you are born, and then you live, and then you die, always in that order, that's because entropy is increasing. Boltzmann explained that if you start with low entropy, it's very natural for it to increase because there's more ways to be high entropy. What he didn't explain was why the entropy was ever low in the first place.
Die Tatsache, dass das Universum eine niedrige Entropie hatte, spiegelte die Tatsache wieder, dass das frühe Universum sehr, sehr gleichmäßig war. Wir würden das gerne verstehen. Das ist unsere Aufgabe als Kosmologen. Leider ist das kein Problem, dem wir bisher genug Aufmerksamkeit geschenkt haben. Es ist keines der Dinge, die die Leute nennen würden, wenn Sie einen neuzeitlichen Kosmologen fragen würden: "Welches sind die Probleme, die wir zu adressieren versuchen?" Einer der Menschen, die dies als Problem erkannten, war Richard Feynman. Vor 50 Jahren hielt er eine Reihe von verschiedenen Vorlesungen. Er hielt die berühmten Vorlesungen, die bekannt wurden als "The Character of Physical Law." Er hielt Vorlesungen für Caltech Studenten im grundständigen Studium, die bekannt wurden als "The Feynman Lectures on Physics." Er hielt Vorlesungen für Caltech Studenten im Aufbaustudium, die bekannt wurden als "The Feynman Lectures on Gravitation." In jedem dieser Bücher, jeder dieser Vorlesungsreihen, hebt er dieses Rätsel hervor: Warum hatte das frühe Universum eine solch niedrige Entropie?
The fact that the entropy of the universe was low was a reflection of the fact that the early universe was very, very smooth. We'd like to understand that. That's our job as cosmologists. Unfortunately, it's actually not a problem that we've been giving enough attention to. It's not one of the first things people would say, if you asked a modern cosmologist, "What are the problems we're trying to address?" One of the people who did understand that this was a problem was Richard Feynman. 50 years ago, he gave a series of a bunch of different lectures. He gave the popular lectures that became "The Character of Physical Law." He gave lectures to Caltech undergrads that became "The Feynman Lectures on Physics." He gave lectures to Caltech graduate students that became "The Feynman Lectures on Gravitation." In every one of these books, every one of these sets of lectures, he emphasized this puzzle: Why did the early universe have such a small entropy?
Er sagt also - ich werde den Akzent nicht nachahmen - er sagt: "Aus irgendeinem Grund hatte das Universum zu einem gewissen Zeitpunkt eine sehr niedrige Entropie, gemessen an seinem Energiegehalt, und seit diesem Zeitpunkt hat die Entropie zugenommen. Der Zeitpfeil kann nicht vollständig verstanden werden, bis man dem Geheimnis des Ursprungs des Universums auf die Spur kommt und Spekulation sich in Verstehen verwandelt." Das also ist unsere Aufgabe. Wir wollen es wissen - das war vor 50 Jahren, "Bestimmt," denken Sie, "hat man das mittlerweile herausgefunden." Es stimmt nicht, dass wir es mittlerweile herausgefunden haben.
So he says -- I'm not going to do the accent -- he says, "For some reason, the universe, at one time, had a very low entropy for its energy content, and since then the entropy has increased. The arrow of time cannot be completely understood until the mystery of the beginnings of the history of the universe are reduced still further from speculation to understanding." So that's our job. We want to know -- this is 50 years ago, "Surely," you're thinking, "we've figured it out by now." It's not true that we've figured it out by now.
Der Grund, warum sich das Problem noch vergrößert hat anstatt besser zu werden, ist, dass wir im Jahr 1998 etwas Entscheidendes über des Universum lernten, das wir vorher nicht gewusst hatten. Wir fanden heraus, dass es sich beschleunigt. Das Universum dehnt sich nicht nur aus. Wenn man sich die Galaxie betrachtet, entfernt sie sich. Wenn man sie sich eine Milliarde Jahre später wieder betrachtet, wird sie sich schneller entfernen. Die einzelnen Galaxien bewegen sich schneller und schneller von uns fort. Daher sagen wir, dass das Universum sich beschleunigt. Im Gegensatz zu der niedrigen Entropie des frühen Universums, obwohl wir die Antwort darauf nicht kennen, haben wir zumindest eine gute Theorie, die dies erklären kann, falls diese Theorie zutrifft, und dass die die Theorie von der dunklen Energie. Dabei handelt es sich einfach um die Idee, dass der leere Raum selbst Energie besitzt.
The reason the problem has gotten worse, rather than better, is because in 1998 we learned something crucial about the universe that we didn't know before. We learned that it's accelerating. The universe is not only expanding. If you look at the galaxy, it's moving away. If you come back a billion years later and look at it again, it will be moving away faster. Individual galaxies are speeding away from us faster and faster so we say the universe is accelerating. Unlike the low entropy of the early universe, even though we don't know the answer for this, we at least have a good theory that can explain it, if that theory is right, and that's the theory of dark energy. It's just the idea that empty space itself has energy.
In jedem kleinen Kubikzentimeter des Raums, ob es nun Stoff darin gibt oder nicht, ob es Teilchen gibt, Materie, Strahlung oder was auch immer, gibt es Energie, auch im Raum selbst. Und nach Einstein treibt diese Energie das Universum an. Sie ist ein fortwährender Impuls, der die Galaxien auseinander treibt. Denn im Gegensatz zu Materie oder Strahlung, verdünnt sich dunkle Energie nicht, während das Universum sich ausdehnt. Die Energiemenge in jedem Kubikzentimeter bleibt gleich, während das Universum größer und größer wird. Das hat entscheidende Konsequenzen darauf, was mit dem Universum in Zukunft geschehen wird. Einerseits wir sich das Universum für immer ausdehnen.
In every little cubic centimeter of space, whether or not there's stuff, whether or not there's particles, matter, radiation or whatever, there's still energy, even in the space itself. And this energy, according to Einstein, exerts a push on the universe. It is a perpetual impulse that pushes galaxies apart from each other. Because dark energy, unlike matter or radiation, does not dilute away as the universe expands. The amount of energy in each cubic centimeter remains the same, even as the universe gets bigger and bigger. This has crucial implications for what the universe is going to do in the future. For one thing, the universe will expand forever.
Als ich in Ihrem Alter war, wussten wir nicht, was mit dem Universum geschehen würde. Manche Leute dachten, das Universum würde in der Zukunft wieder in sich zusammenfallen. Einstein gefiehlt diese Idee. Aber wenn es dunkle Energie gibt, und diese dunkle Energie nicht verschwindet, dann wird sich das Universum für immer ausdehnen. 14 Milliarden Jahre in der Vergangenheit, 100 Milliarden Hundejahre, aber eine unendliche Anzahl an Jahren in der Zukunft. Derweil sieht der Weltraum für uns im Grunde endlich aus. Der Weltraum mag endlich oder unendlich sein, aber weil sich das Universum beschleunigt, gibt es Teile von ihm, die wir nicht sehen können und nie sehen werden. Es gibt nur eine begrenzte Region des Weltalls, zu der wir Zugang haben, umgeben von einem Horizont. Daher ist der Weltraum, obwohl die Zeit ewig fortbesteht, für uns begrenzt. Abschließend hat der leere Raum eine Temperatur.
Back when I was your age, we didn't know what the universe was going to do. Some people thought that the universe would recollapse in the future. Einstein was fond of this idea. But if there's dark energy, and the dark energy does not go away, the universe is just going to keep expanding forever and ever and ever. 14 billion years in the past, 100 billion dog years, but an infinite number of years into the future. Meanwhile, for all intents and purposes, space looks finite to us. Space may be finite or infinite, but because the universe is accelerating, there are parts of it we cannot see and never will see. There's a finite region of space that we have access to, surrounded by a horizon. So even though time goes on forever, space is limited to us. Finally, empty space has a temperature.
In den 1970er Jahren berichtete uns Stephen Hawking, dass ein schwarzes Loch, obwohl man meint, es sei schwarz, tatsächlich Strahlung absondert, wenn man Quantenmechanik berücksichtigt. Die Krümmung des Raum-Zeit-Kontinuums um das schwarze Loch lässt quantenmechanische Fluktuationen entstehen und das schwarze Loch sendet Strahlung aus. Eine ganz ähnliche Kalkulation von Hawking und Gary Gibbons zeigte, dass, wenn man dunkle Energie in einem leeren Raum hat, das ganze Universum Strahlung aussendet. Die Energie des leeren Raums lässt Quantumfluktuationen entstehen. Und daher wird es, obwohl das Universum ewig fortbestehen wird und gewöhnliche Materie und Strahlung sich verflüchtigen werden, immer ein gewisses Maß an Strahlung geben, einige thermische Fluktuationen, selbst im leeren Raum. Was das bedeutet, ist, dass das Universum wie ein Behälter aus Gas ist, den es für immer geben wird. Was ist die Konsequenz von all dem?
In the 1970s, Stephen Hawking told us that a black hole, even though you think it's black, it actually emits radiation when you take into account quantum mechanics. The curvature of space-time around the black hole brings to life the quantum mechanical fluctuation, and the black hole radiates. A precisely similar calculation by Hawking and Gary Gibbons showed that if you have dark energy in empty space, then the whole universe radiates. The energy of empty space brings to life quantum fluctuations. And so even though the universe will last forever, and ordinary matter and radiation will dilute away, there will always be some radiation, some thermal fluctuations, even in empty space. So what this means is that the universe is like a box of gas that lasts forever. Well what is the implication of that?
Die Konsequenz wurde von Boltzmann im 19. Jahrhundert untersucht. Er sagte, naja, Entropie nimmt zu, weil es für eine hohe Entropie viel mehr Möglichkeiten gibt als für eine niedrige Entropie. Aber das ist eine wahrscheinlichkeitstheoretische Aussage. Sie wird wahrscheinlich zunehmen, und die Wahrscheinlichkeit ist extrem groß. Das ist nichts, worüber Sie sich Sorgen machen müssten - dass sich die Luft in diesem Raum in einem Teil des Raums zusammenzieht und uns ersticken lässt. Das ist sehr, sehr unwahrscheinlich. Es sei denn, jemand verschließt die Türen und hält uns hier tatsächlich für immer fest, dann würde das passieren. Alles, was möglich ist, jede Konfiguration, die den Molekülen in diesem Raum möglich ist, würde irgendwann eingenommen werden.
That implication was studied by Boltzmann back in the 19th century. He said, well, entropy increases because there are many, many more ways for the universe to be high entropy, rather than low entropy. But that's a probabilistic statement. It will probably increase, and the probability is enormously huge. It's not something you have to worry about -- the air in this room all gathering over one part of the room and suffocating us. It's very, very unlikely. Except if they locked the doors and kept us here literally forever, that would happen. Everything that is allowed, every configuration that is allowed to be obtained by the molecules in this room, would eventually be obtained.
Daher sagt Boltzmann, man könnte mit einem Universum beginnen, das sich in einem thermischen Gleichgewicht befindet. Er wusste nichts vom Urknall. Er wusste nicht von der Expansion des Universums. Er dachte, dass Raum und Zeit schon von Issac Newton erklärt worden waren - sie waren absolut; sie waren einfach für immer da. Seine Idee eines natürlich Universums bestand also darin, dass die Luftmoleküle einfach überall gleichmäßig verteilt waren - die 'Alles'-Moleküle. Aber wenn man Boltzmann ist, dann weiß man, wenn man lange genug wartet, dann werden zufällige Fluktuationen dieser Moleküle sie dann und wann in Konfiguationen niedrigerer Entropie befördern. Und dann werden sie sich natürlich wieder ausdehnen, wie es der natürliche Lauf der Dinge ist. Also ist es nicht so, dass Entropie immer zunehmen muss - man kann Fluktuationen zu einer niedrigeren Entropie beobachten, zu Zuständen, die organisierter sind.
So Boltzmann says, look, you could start with a universe that was in thermal equilibrium. He didn't know about the Big Bang. He didn't know about the expansion of the universe. He thought that space and time were explained by Isaac Newton -- they were absolute; they just stuck there forever. So his idea of a natural universe was one in which the air molecules were just spread out evenly everywhere -- the everything molecules. But if you're Boltzmann, you know that if you wait long enough, the random fluctuations of those molecules will occasionally bring them into lower entropy configurations. And then, of course, in the natural course of things, they will expand back. So it's not that entropy must always increase -- you can get fluctuations into lower entropy, more organized situations.
Wenn das also wahr ist, dann geht Boltzmann dazu über, zwei hoch modern klingende Vorstellungen zu erfinden - das Multiversum und das anthropische Prinzip. Er sagt, dass das thermische Gleichgewicht deshalb ein Problem ist, weil wir darin nicht leben können. Erinnern Sie sich, das Leben selbst hängt ab vom Zeitpfeil. Wir wären nicht in der Lage, Informationen zu verarbeiten, Stoffwechsel zu betreiben, zu gehen und zu sprechen, wenn wir in einem thermischen Gleichgewicht leben würden. Wenn man sich also ein sehr, sehr großes Universum vorstellt, ein unendlich großes Universum, mit Teilchen, die willkürlich aneinander stoßen, dann wird es gelegentlich kleine Fluktuationen in Zustände niedrigerer Entropie geben, und dann gehen sie wieder zurück. Aber es wir auch große Fluktuationen geben. Gelegentlich wird ein Planeten erschaffen oder ein Stern oder eine Galaxie oder einhundert Milliarden Galaxien. Boltzmann sagt also, wir werden nur in dem Teil des Multiversums existieren, in dem Teil dieses unendlich großen Gefüges fluktuierender Teilchen, in dem Leben möglich ist. Das ist die Region, in dem die Entropie niedrig ist. Vielleicht ist unser Universum einfach eines dieser Dinge, die von Zeit zu Zeit passieren.
Well if that's true, Boltzmann then goes onto invent two very modern-sounding ideas -- the multiverse and the anthropic principle. He says, the problem with thermal equilibrium is that we can't live there. Remember, life itself depends on the arrow of time. We would not be able to process information, metabolize, walk and talk, if we lived in thermal equilibrium. So if you imagine a very, very big universe, an infinitely big universe, with randomly bumping into each other particles, there will occasionally be small fluctuations in the lower entropy states, and then they relax back. But there will also be large fluctuations. Occasionally, you will make a planet or a star or a galaxy or a hundred billion galaxies. So Boltzmann says, we will only live in the part of the multiverse, in the part of this infinitely big set of fluctuating particles, where life is possible. That's the region where entropy is low. Maybe our universe is just one of those things that happens from time to time.
Ihre Hausaufgabe ist es jetzt, darüber wirklich nachzudenken, zu überlegen, was das bedeutet. Carl Sagan sagte bekannterweise einmal: "Um einen Apfelkuchen backen zu können, muss man zunächst einmal das Universum erfinden." Aber er hatte Unrecht. Wenn man in Boltzmanns Szenario einen Apfelkuchen backen will, dann wartet man einfach darauf, dass die willkürliche Bewegung von Atomen den Apfelkuchen backt. Das wird weitaus öfter geschehen als die zufälligen Bewegungen von Atomen, die eine Apfelbaumplantage und etwas Zucker und einen Ofen und dann einen Apfelkuchen hervorbringen. Dieses Szenario trifft Vorhersagen. Und die Vorhersagen sind, dass die Fluktuationen, die uns hervorbringen, minimal sind. Selbst, wenn man sich vorstellt, dass der Raum, in dem wir jetzt sind, existiert und real ist und wir sind hier und wir haben nicht nur unsere Erinnerungen, sondern auch unseren Eindruck, dass draußen etwas existiert, das sich Caltech und die Vereinigten Staaten und die Milchstraße nennt, dann ist es viel einfacher, dass all diese Eindrücke zufällig in Ihr Gehirn fluktuieren, als dass sie sich willkürlich zu Caltech und zu den Vereinigten Staaten und zur Galaxie zusammenfluktuieren.
Now your homework assignment is to really think about this, to contemplate what it means. Carl Sagan once famously said that "in order to make an apple pie, you must first invent the universe." But he was not right. In Boltzmann's scenario, if you want to make an apple pie, you just wait for the random motion of atoms to make you an apple pie. That will happen much more frequently than the random motions of atoms making you an apple orchard and some sugar and an oven, and then making you an apple pie. So this scenario makes predictions. And the predictions are that the fluctuations that make us are minimal. Even if you imagine that this room we are in now exists and is real and here we are, and we have, not only our memories, but our impression that outside there's something called Caltech and the United States and the Milky Way Galaxy, it's much easier for all those impressions to randomly fluctuate into your brain than for them actually to randomly fluctuate into Caltech, the United States and the galaxy.
Die gute Nachricht ist, dass dieses Szenario deshalb nicht funktioniert; es ist nicht richtig. Dieses Szenario sagt vorher, dass wir eine minimale Fluktuation sein sollten. Selbst, wenn man unsere Galaxie außer Acht lässt, würde man nicht einhundert Milliarden andere Galaxien bekommen. Und Feynman verstand dies ebenfalls. Feynman sagt: "Ausgehend von der Hypothese, dass die Welt eine Fluktuation ist, sind alle Prognosen solcherart, dass wir, wenn wir einen Teil der Welt betrachten, den wir noch nie zuvor gesehen haben, ihn durcheinander geraten vorfinden werden, und nicht wie den Teil, den wir kurz zuvor angeschaut haben - hohe Entropie. Wenn unsere Ordnung Folge einer Fluktuation wäre, dann würden wir nirgendwo anders Ordnung erwarten als genau dort, wo wir sie gerade festgestellt haben. Daraus schließen wir, dass das Universum keine Fluktuation ist." Das ist gut. Die Frage ist dann, was ist die richtige Antwort? Wenn das Universum keine Fluktuation ist, warum hatte das frühe Universum dann eine niedrige Entropie? Und ich würde Ihnen die Antwort darauf liebend gerne geben, aber mir rennt die Zeit davon.
The good news is that, therefore, this scenario does not work; it is not right. This scenario predicts that we should be a minimal fluctuation. Even if you left our galaxy out, you would not get a hundred billion other galaxies. And Feynman also understood this. Feynman says, "From the hypothesis that the world is a fluctuation, all the predictions are that if we look at a part of the world we've never seen before, we will find it mixed up, and not like the piece we've just looked at -- high entropy. If our order were due to a fluctuation, we would not expect order anywhere but where we have just noticed it. We therefore conclude the universe is not a fluctuation." So that's good. The question is then what is the right answer? If the universe is not a fluctuation, why did the early universe have a low entropy? And I would love to tell you the answer, but I'm running out of time.
(Lachen)
(Laughter)
Auf der einen Seite haben wir hier das Universum, von dem wir Ihnen berichten, auf der anderen Seite das Universum, das wirklich existiert. Ich habe Ihnen gerade dieses Bild gezeigt. Das Universum dehnt sich seit etwa 10 Milliarden Jahren aus. Es kühlt sich ab. Aber wir wissen jetzt genug über die Zukunft des Universums, dass wir sehr viel mehr sagen können. Wenn die dunkle Energie bestehen bleibt, dann werden die Sterne um uns herum ihren nuklearen Treibstoff aufbrauchen, sie werden aufhören zu brennen. Sie werden zu schwarzen Löchern kollabieren. Wie werden in einem Universum leben, in dem es nichts anderes gibt als schwarze Löcher. Dieses Universum wird 10 hoch 100 Jahre existieren - sehr viel länger als unser kleines Universum besteht. Die Zukunft ist sehr viel länger als die Vergangenheit. Aber auch schwarze Löcher halten nicht ewig. Sie werden sich auflösen, und wir werden zurückbleiben mit nichts als leerem Raum. Dieser leere Raum wird im Wesentlichen für immer fortbestehen. Aber da der leere Raum Strahlung absondert, gibt es thermische Fluktuationen, und er durchläuft all die möglichen verschiedenen Kombinationen des Maßes an Freizügigkeit, die in einem leeren Raum existiert. Obwohl das Universum für immer fortbesteht, gibt es also nur eine endliche Anzahl an Dingen, die im Universum passieren können. Sie alle geschehen über einen Zeitraum hinweg von 10 hoch 10 hoch 120 Jahren.
Here is the universe that we tell you about, versus the universe that really exists. I just showed you this picture. The universe is expanding for the last 10 billion years or so. It's cooling off. But we now know enough about the future of the universe to say a lot more. If the dark energy remains around, the stars around us will use up their nuclear fuel, they will stop burning. They will fall into black holes. We will live in a universe with nothing in it but black holes. That universe will last 10 to the 100 years -- a lot longer than our little universe has lived. The future is much longer than the past. But even black holes don't last forever. They will evaporate, and we will be left with nothing but empty space. That empty space lasts essentially forever. However, you notice, since empty space gives off radiation, there's actually thermal fluctuations, and it cycles around all the different possible combinations of the degrees of freedom that exist in empty space. So even though the universe lasts forever, there's only a finite number of things that can possibly happen in the universe. They all happen over a period of time equal to 10 to the 10 to the 120 years.
Hier sind also zwei Fragen für Sie. Nummer eins: Wenn das Universum 10 hoch 10 hoch 120 Jahre fortbesteht, warum werden wir geboren in den ersten 14 Milliarden Jahren, im warmen, komfortablen Nachglühen des Urknalls. Warum existieren wir nicht im leeren Raum? Sie mögen sagen: "Naja, dort gibt es nichts, worin man leben kann", aber das ist nicht richtig. Sie könnten eine willkürliche Fluktuation aus dem Nichts sein. Warum sind Sie es nicht? Mehr Hausaufgaben für Sie.
So here's two questions for you. Number one: If the universe lasts for 10 to the 10 to the 120 years, why are we born in the first 14 billion years of it, in the warm, comfortable afterglow of the Big Bang? Why aren't we in empty space? You might say, "Well there's nothing there to be living," but that's not right. You could be a random fluctuation out of the nothingness. Why aren't you? More homework assignment for you.
Wie ich schon gesagt habe, ich kenne die Antwort nicht wirklich. Ich werde Ihnen mein Lieblingsszenario schildern. Entweder ist es so, dass einfach keine Erklärung gibt. Es ist eine rücksichtslose Tatsache der Universums, die man akzeptieren und nicht hinterfragen sollte. Oder vielleicht ist der Urknall nicht der Beginn des Universums. Ein Ei, ein unversehrtes Ei, ist eine Konfiguration niedriger Entropie, und dennoch sagen wir, wenn wir unseren Kühlschrank öffnen, nicht: "Hah, was für eine Überraschung diese Konfiguration niedriger Entropie in unserem Kühlschrank zu finden." Das kommt daher, dass ein Ei kein geschlossenes System ist; es kommt aus einem Huhn. Vielleicht kommt das Universum aus einem universellen Huhn. Vielleicht gibt es etwas, das naturgemäß, anhand der Entwicklung der physikalischen Gesetze, Universen wie unseres hervorbringt, in Konfigurationen niedriger Entropie. Falls das der Fall ist, dann würde es mehr als einmal passieren; wir wären Teil eines viel größeren Multiversums. Das ist mein Lieblingsszenario.
So like I said, I don't actually know the answer. I'm going to give you my favorite scenario. Either it's just like that. There is no explanation. This is a brute fact about the universe that you should learn to accept and stop asking questions. Or maybe the Big Bang is not the beginning of the universe. An egg, an unbroken egg, is a low entropy configuration, and yet, when we open our refrigerator, we do not go, "Hah, how surprising to find this low entropy configuration in our refrigerator." That's because an egg is not a closed system; it comes out of a chicken. Maybe the universe comes out of a universal chicken. Maybe there is something that naturally, through the growth of the laws of physics, gives rise to universe like ours in low entropy configurations. If that's true, it would happen more than once; we would be part of a much bigger multiverse. That's my favorite scenario.
Die Veranstalter haben mich darum gebeten, mit einer gewagten Spekulation zu enden. Meine gewagte Spekulation ist, dass die Zeit mich absolut bestätigen wird. Und in 50 Jahren werden all meine derzeitigen wilden Ideen als Wahrheiten akzeptiert werden von den wissenschaftlichen und externen Gemeinden. Wir alle werden der Ansicht sein, dass unser kleines Universum nur ein kleiner Teil eines viel größeren Multiversums ist. Und noch besser, wir werden verstehen, was beim Urknall geschehen ist, mit Hilfe einer Theorie, die wir mit unseren Beobachtungen vergleichen werden können. Das ist eine Prophezeiung. Ich mag falsch liegen. Aber wir machen uns als menschliche Rasse schon seit vielen, vielen Jahre Gedanken darüber, wie das Universum aussah, warum es entstand, wie es entstand. Es ist aufregend, darüber nachzudenken, dass wir die Antwort vielleicht eines Tages kennen werden.
So the organizers asked me to end with a bold speculation. My bold speculation is that I will be absolutely vindicated by history. And 50 years from now, all of my current wild ideas will be accepted as truths by the scientific and external communities. We will all believe that our little universe is just a small part of a much larger multiverse. And even better, we will understand what happened at the Big Bang in terms of a theory that we will be able to compare to observations. This is a prediction. I might be wrong. But we've been thinking as a human race about what the universe was like, why it came to be in the way it did for many, many years. It's exciting to think we may finally know the answer someday.
Vielen Dank.
Thank you.
(Applaus)
(Applause)