Gibt es eine Tendenz zum Ordnungswachstum oder zur Zerstörung des Universums?

Ist das Universum wirklich „klüger“ geworden? Eine Analyse der wissenschaftlichen Debatte hinter „Der zweite Pfeil der Zeit“

Hallo zusammen, ich bin euer Finanzjournalist und Wirtschaftswissenschaftler. Das Buch, über das wir heute sprechen werden, klingt etwas esoterisch – „Der zweite Pfeil der Zeit“ – aber die zentrale Frage ist eigentlich sehr praktisch: Warum wird die Welt immer komplexer und nicht immer chaotischer?

Lassen Sie uns zunächst ein Beispiel geben. Wenn Sie einen Haufen Sand werfen, liegt er am Boden als ein chaotischer Haufen; aber wenn Sie Sand, Zement und Stahl nach einem Plan zusammenbauen, entsteht ein Gebäude – also Ordnung. Die Physik sagt uns, dass die allgemeine Tendenz des Universums der „Zunahme der Entropie“ ist, also vom Ordnungszustand zum Zustand der Unordnung, ähnlich wie neue Schuhe abgenutzt werden oder Blätter verrotten.

Doch schauen Sie sich das Universum an: Vom einfachen Gas nach dem Urknall über die Entstehung von Kohlenstoff und Sauerstoff in den Sternen bis hin zum menschlichen Gehirn auf der Erde, das in der Lage ist zu denken – das ist doch eindeutig ein Beispiel für den Übergang von Unordnung zu Ordnung!

Zwei Wissenschaftler des Carnegie Institute of Science, Robert Hazen und Michael Huang, stellen in ihrem Buch die Hypothese auf, dass dahinter eine neue Naturgesetzlichkeit wirken könnte, die sie als „Gesetz der zunehmenden funktionalen Information“ bezeichnen. Kurz gesagt: Nützliche Strukturen werden erhalten, wodurch Systeme immer komplexer werden.

Dieses Buch mit weniger als 200 Seiten hat eine große wissenschaftliche Debatte ausgelöst. Ich werde diese Debatte über das Schicksal des Universums aus fünf Aspekten in einfachen Worten erklären.

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1. Kernpunkt: Auch Steine „evolvieren“ – das Universum könnte sich selbst „montieren“

Zuerst müssen wir klarstellen, was die Autoren eigentlich sagen wollen.

Normalerweise denken wir, dass die Evolution etwas Biologisches ist, wie das Verwandeln von Dinosauriern in Vögel oder von Affen in Menschen. Aber Hazen und Huang behaupten: Nein, auch Steine evolvieren.

• Beispiel: Mineralien – Zu Beginn des Universums gab es nur ein einziges Mineral (Diamant). Durch die Explosionen von Sternen entstanden 25 neue Minerale. Auf der Erde hat sich die Anzahl der Minerale auf über 6000 erhöht.
• Logik der Selektion – Nicht alle Mineralverbindungen können stabil existieren. Die meisten zerfallen bei Berührung; nur die strukturell stabilen Minerale überleben.
• Fazit – Dieser Prozess der natürlichen Selektion wird in der Biologie als „Natürliche Selektion“ bezeichnet, in der Mineralwissenschaft als „Selektion nach Stabilität“. Die Autoren argumentieren, dass ein System, das drei Bedingungen erfüllt (viel mögliche Kombinationen, Entstehung neuer Kombinationen, Selektionsmechanismus), von selbst komplexer und funktionaler wird.

Einfaches Verständnis: Stellen Sie sich vor, Sie kaufen online ein Produkt – obwohl es unzählige Varianten gibt, werden nur die qualitativ hochwertigen und kostengünstigen Produkte gekauft und auf dem Regal belassen. Letztendlich wird sich die Produktsstruktur auf den Plattformen optimieren. Das Universum könnte sich auf diese Weise zu einer „riesigen E-Commerce-Plattform“ entwickeln, die immer ordentlicher wird.

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2. Theoretische Grundlage: Was misst eigentlich die „funktionale Information“?

Um zu beweisen, dass sich das Universum komplexer macht, brauchen wir ein Maß für „Komplexität“ oder „Ordnung“. Die Autoren verwenden das Konzept der „funktionalen Information“, das auf dem Werk des Nobelpreisträgers Jack Szostak basiert.

• Beispiel: Stellen Sie sich vor, Sie suchen einen Schlüssel, der eine bestimmte Tür öffnen kann. Wenn jeder Schlüssel funktioniert, ist die „funktionale Information“ niedrig – weil es zu einfach ist. Wenn nur einer von einer Milliarde Schlüsseln funktioniert, ist die „funktionale Information“ hoch, weil er sich aus unzähligen Möglichkeiten hervorgetan hat.
• In der Wissenschaft: Szostak fand heraus, dass sich die Anzahl der RNA-Fragmente, die eine bestimmte Funktion erfüllen, mit zunehmender Selektion verringert, ihre „funktionale Information“ jedoch erhöht.
• Bei Mineralien: Hazens Team behauptet, dass die „funktionale Information“ der Minerale im Laufe der Erdgeschichte gestiegen ist. Das heißt, spätere Minerale sind in Bezug auf ihre Stabilität einzigartiger und wertvoller als frühere.

Wichtiger Punkt: Die Autoren glauben, dass dieser Anstieg der „funktionalen Information“ nicht zufällig ist, sondern unausweichlich. Sie bezeichnen dies als den „zweiten Pfeil“ – während das zweite Gesetz der Thermodynamik (Zunahme der Entropie) der „erste Pfeil“ ist, der die Zeit in die Zukunft lenkt, so ist die zunehmende funktionale Information der „zweite Pfeil“, der auf Komplexität und Ordnung hindeutet.

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3. Interne Widersprüche: Warum kämpfen zwei „Rebellen“ gegeneinander?

In der Wissenschaft wird seit langem darüber diskutiert, wie Ordnung inmitten einer zunehmenden Entropie entstehen kann. Früher dachte man, dass lokale Ordnung nicht ungewöhnlich sei, solange Energie zugeführt wird (Theorien von Schrödinger und Prigogine). Hazen und Huang wollen jedoch ein neues Gesetz formulieren.

Aber innerhalb dieser „traditionellen“ Fraktion gibt es auch die „Assembly-Theorie“ (von Lee Cronin und Sarah Walker), die eine andere Erklärung für die Komplexität bietet.

• Assembly-Theorie: Sie verwendet den „Assembly-Index“ als Maß für Komplexität – also die Anzahl der Schritte, die benötigt werden, um aus Teilen ein Objekt zu bauen. Mehr Schritte bedeuten höhere Komplexität, was möglicherweise ein Zeichen von Leben sein könnte.
• Warum der Streit?
• Hazens Kritik an der Assembly-Theorie: Auch einige anorganische Minerale haben einen hohen Assembly-Index – bedeutet das, dass auch Steine „lebendig“ sind? Das ist absurd. Die Assembly-Theorie kann daher nicht als einziges Kriterium für Leben dienen.
• Woks Gegenargument: Wie kann man die „funktionale Information“ eines Steins messen? Was ist seine Funktion – bestimmen Sie das, oder ich? Ohne eine objektive Messmethode ist die Theorie nicht falsifizierbar und somit nicht wissenschaftlich.

Einfaches Verständnis: Es ist, als würden zwei Köche neue Rezepte entwickeln. Hazen sagt: „Mein Rezept erklärt, warum sowohl Steine als auch Leben komplexer werden.“ Walker entgegnet: „Ihr Rezept lässt sich nicht quantifizieren; meins ist zwar einfach, aber es lässt sich genau berechnen.“ Die Debatte dreht sich um die Frage, welches Maß wir verwenden sollten, wenn wir nach außerirdischem Leben suchen.

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4. Externe Kritik: Ist das wirklich ein „neues Gesetz“ oder nur „alter Wein in neuen Flaschen“?

Neben internen Streitigkeiten gibt es auch externe Kritik:

1. „Überfluss-Theorie“ (Algorithmus-Informatiker): Kritiker wie Hector Zelnier argumentieren, dass der beobachtete Anstieg der „funktionalen Information“ bereits von Computeralgorithmen vorhergesagt wurde. Einfache, modulare Strukturen entstehen leichter, daher ist es kein neues physikalisches Gesetz, sondern eine Eigenschaft mathematischer Berechnungen.

2. „Unmessbarkeit“ (Experimentatiker): Dies ist der schwerwiegendste Einwand: Man kann die funktionale Information einer lebenden Zelle nicht berechnen – wie kann man dann behaupten, es handele sich um ein universelles Gesetz? Hazen räumt ein, dass die funktionale Information für die meisten physikalischen Objekte prinzipiell nicht berechnbar ist.

• Antwort: Auch die Dynamik des Asteroidengürtels konnte früher nicht genau berechnet werden, aber eine annähernde Beschreibung reichte aus, um Raumschiffe zu steuern. Die Unmöglichkeit der genauen Messung bedeutet nicht, dass die Theorie nutzlos ist.

3. „Selbstwiderspruch“ (Logiker): Laut „Publishers Weekly“ behaupten die Autoren, Naturgesetze müssten Phänomene vorhersagen können – ihre Theorie kann jedoch bisher nur die Vergangenheit erklären, nicht die Zukunft.

Unterstützer: Trotz dieser Kritik bezeichnet die „Kirkus Review“ das Buch als einen „Wandel des Paradigmas“. Professor Koffman von der University of Pennsylvania betont, dass es wichtig ist, die Frage „Wird das Universum in Richtung Ordnung entwickeln?“ wieder in den Fokus zu rücken. Schließlich hat es Jahrhunderte gedauert, bis die „Zwecksetzung“ aus der Wissenschaft verbannt wurde; nun wird die „Funktionalität“ wieder eingeführt – was eine große intellektuelle Veränderung darstellt.

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5. Das letzte Urteil: Das Schicksal hängt von der Sonde zu Titan ab

Kann diese Debatte jemals enden? Gibt es ein „entscheidendes Experiment“?

Ja. Michael Huang erwähnte in einem Interview ein konkretes Projekt: die NASA-Sonde Titan.

• Ziel: Die Sonde soll zu Titan, einem Mond des Saturns, fliegen und die Oberfläche sowie die Atmosphäre untersuchen.
• Hoffnung: Wenn das Gesetz der zunehmenden funktionalen Information allgemein gültig ist, sollte man dort auch einen Anstieg der „funktionalen Information“ mit der Zeit nachweisen können – und dieser Anstieg sollte unabhängig von den Messmethoden des Forschers sein.
• Wenn es gelingt: Wird der „zweite Pfeil“ von einer Metapher zu einer physikalischen Tatsache, was zeigt, dass Komplexität und Intelligenz im Universum weit verbreitet sind und wir nicht allein sind.
• Wenn nicht: Die Theorie bleibt vielleicht nur eine nützliche Metapher und wird nicht in die Lehrbücher aufgenommen.

Historischer Vergleich: Auch bei der Erforschung der Dampfmaschine gab es zunächst kein Konzept der Entropie; erst 1865 definierte Clausius Entropie als berechnbare Größe. Das zweite Gesetz der Thermodynamik durchlief ebenfalls eine Phase der Unklarheit. Unmöglichkeiten in der Messung sind nicht unbedingt ein Todesurteil – aber im Gegensatz zu Clausius gab es bei der Dampfmaschine tatsächliche Messmöglichkeiten. Bei der funktionellen Information fehlt bisher ein allgemein anerkanntes Messverfahren.

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Fazit: Sind wir im Universum allein?

Der eigentliche Beitrag dieses Buches besteht darin, die Fragestellung zu verändern:

• Frühere Frage: Verstößt Komplexität gegen das zweite Gesetz der Thermodynamik? (Antwort: Nein, lokale Ordnung ist nicht widersprüchlich.)
• Heutige Frage: Ist Komplexität eine weitere, notwendige Eigenschaft des Universums, unabhängig vom zweiten Gesetz der Thermodynamik?

Wenn Hazen und Huang recht haben, entwickelt sich das Universum nicht nur in Richtung des thermischen Chaos, sondern auch in Richtung einer „funktionalen Komplexität“. Das würde bedeuten, dass intelligente Lebensformen wie die menschliche nicht einzigartig sind, sondern möglicherweise ein Ergebnis dieser Entwicklung sind.

Für die meisten Menschen bedeutet dieses Buch, dass es uns dazu bringt, den Wert von Ordnung neu zu bewerten. In einer scheinbar chaotischen Welt werden „nützliche“ und stabile Strukturen von der Natur erhalten. Ob es Minerale, RNA oder Zivilisationen sind – solange sie sich durch ihre Funktion hervortun, haben sie die Chance, Teil dieser „zweiten Entwicklung“ zu werden.

Das endgültige Ergebnis werden wir erst erfahren, wenn die Sonde „Titan“ Daten zurückbringt. Bis dahin bleibt dies eine faszinierende, umstrittene, aber inspirierende wissenschaftliche Hypothese.