Im Pestjahr 1665/66 revolutionierte Isaac Newton die Wissenschaft mit dem universalen Gravitationsgesetz und der Infinitesimalrechnung. Wird sich diese Geschichte im Pandemiejahr 2020/21 wiederholen?
Stephen Wolfram, der britischstämmige Physiker und Unternehmer in den USA, ist überzeugt davon. Als Pionier der Computeralgorithmen und Entwickler von Mathematica hat er eine grundlegende Physiktheorie entwickelt, die zentrale Fragen beantwortet: Was ist Raum? Was ist Zeit? Warum existiert das Universum?
„Um fair zu sein, der Großteil der Arbeit entstand 2019, und wir wollten bereits im März 2020 publizieren. Doch COVID verschob alles“, erklärt Wolfram. „Trotzdem haben wir Fortschritte erzielt, die ich nie für möglich gehalten hätte.“
Wolframs Ansatz beginnt mit einer radikalen Frage: Was ist Raum? „Physiker sehen Raum meist als bloßen Hintergrund für kosmische Ereignisse“, sagt er.
Für Wolfram entsteht Raum aus einem Netzwerk von „Knoten“, die miteinander verknüpft sind. Die Verbindungsstruktur erzeugt Räume beliebiger Dimensionen. Nimmt die Knotendichte quadratisch mit der Entfernung zu – wie die Oberfläche einer Kugel –, entsteht unser bekannter dreidimensionaler Raum.
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„Ich glaube, das Universum startete mit unendlich vielen Dimensionen und kühlte sich auf unsere drei ab“, meint Wolfram. „Warum genau drei? Das weiß ich noch nicht.“
Wolfram sucht das minimale „Material“ für ein Universum: Neben dem Knotennetzwerk – den „Atomen des Raums“ – gibt es „Regeln“, die das Netz dynamisch verändern. Eine Regel könnte lauten: „Ersetze dieses Knotenmuster durch jenes.“
„Die ständige Anwendung solcher Regeln webt den Raum – und erzeugt Materie sowie alle bekannten Physikgesetze der letzten 350 Jahre“, betont Wolfram.
Bevor wir tiefer eintauchen: Wolframs Werdegang. Geboren 1959 in London, publizierte er mit 15 physikalische Papers. Als Doktorand am Caltech arbeitete er mit Richard Feynman zusammen. 1981 entdeckte er bei Simulationen einfacher Programme – zelluläre Automaten – etwas Revolutionäres.
Zelluläre Automaten sind eindimensionale Gitter von Zellen (leer oder gefüllt). Regeln ersetzen Muster iterativ und erzeugen neue Zustände.
Meist ergaben sie simpler Output. Doch manche zeigten persistente Strukturen wie Teilchen oder gar unendliche Komplexität.
Das war Wolframs „Aha-Moment“: Einfache Regeln erzeugen Komplexität wie Rosen, Babys oder Galaxien?
2002 erschien sein 1.200-seitiges Opus „A New Kind of Science“ mit Analysen aller 256 eindimensionaler Automaten-Regeln, inklusive Regel 30s chaotischer Komplexität. Die Physikgemeinde kritisierte es – Selbstverlag, kein Peer-Review, fehlende Vorhersagen.
Sie hatten teilweise recht: Wolfram postulierte, vieles sei „rechnerisch irreduzibel“ – nur durch Ausführung über 13,82 Milliarden Jahre erkennbar. Doch „reduzierbare Inseln“ seien unsere Physikgesetze.
Nach 2002 priorisierte er Mathematica und Wolfram|Alpha, die ihn reich machten. 2019 motivierten junge Physiker ihn zur Fortsetzung.
Zelluläre Automaten brauchen ein Gitter. Wolfram erfand hypergraphbasierte Netzwerke, die sich selbst aktualisieren. Persistente Merkmale darin sind Materie. Alles entstammt Raum. Zeit? „Der schrittweise Rechenprozess“, sagt er.
Das Kernprogramm? Knapp in Mathematica. Aber warum dieses? Wolfram: Alle möglichen Programme laufen parallel – unser Universum emergiert daraus.
„Chaotisch? Doch es repliziert Relativität und Quantenmechanik perfekt.“
Wir beobachten nicht extern, sondern als Netzwerk-Teile. Begrenzt durch Rechenkapazität und Biologie, sehen wir einen Zeitfaden. „Wir entdecken eine Regel unter vielen.“
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Unsere Sinne glätten das Netz zu Kontinuum – wie in der Relativität. Energie biegt Geodäten; in Wolframs Modell: Netzwerkaktivität.
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„Relativität und Quanten sind identisch – gebogene Geodäten in unterschiedlichen Räumen!“ Wolfram war baff.
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Carlo Rovelli (Loop-Quantengravitation) prüft Ähnlichkeiten. Gregory Chaitin lobt: „Orthogonal zu Stringtheorie, natürlich emergierend.“
Heute: Positives Echo, Kollaborateure, Live-Streams. Informationsverarbeitung ist mainstream.
Außerirdische könnten andere Gesetze sehen – unsichtbar in anderen Netzwerkteilen.
Vorhersagen fehlen noch, z.B. variable Dimensionen oder ultraschnelle Schwarze Löcher.
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- Dieser Artikel erschien zuerst in Ausgabe 365 des BBC Science Focus Magazine – Hier erfahren Sie, wie Sie sich anmelden können