In der Physik gibt es ein grundlegendes Problem.
Eine einzige Zahl, die als kosmologische Konstante bezeichnet wird, verbindet die mikroskopische Welt der Quantenmechanik und die makroskopische Welt von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie. Aber keine Theorie kann sich auf ihren Wert einigen.
Tatsächlich gibt es eine so große Diskrepanz zwischen dem beobachteten Wert dieser Konstante und dem, was die Theorie vorhersagt, dass sie allgemein als die schlechteste Vorhersage in der Geschichte der Physik angesehen wird. Die Lösung der Diskrepanz könnte das wichtigste Ziel der theoretischen Physik in diesem Jahrhundert sein.
Lucas Lombriser, Assistenzprofessor für theoretische Physik an der Universität Genf in der Schweiz, hat eine neue Methode zur Bewertung der Schwerkraftgleichungen von Albert Einstein eingeführt, um einen Wert für die kosmologische Konstante zu finden, der eng mit dem beobachteten Wert übereinstimmt. Er veröffentlichte seine Methode online in der Ausgabe vom 10. Oktober der Zeitschrift Physics Letters B.
Wie Einsteins größter Fehler zu dunkler Energie wurde
Die Geschichte der kosmologischen Konstante begann vor mehr als einem Jahrhundert, als Einstein eine Reihe von Gleichungen vorstellte, die heute als Einstein-Feldgleichungen bekannt sind und zum Rahmen seiner allgemeinen Relativitätstheorie wurden. Die Gleichungen erklären, wie Materie und Energie das Gewebe von Raum und Zeit verzerren, um die Schwerkraft zu erzeugen. Zu dieser Zeit waren sich sowohl Einstein als auch die Astronomen einig, dass das Universum eine feste Größe hat und dass sich der Gesamtraum zwischen den Galaxien nicht ändert. Als Einstein jedoch die allgemeine Relativitätstheorie auf das gesamte Universum anwendete, sagte seine Theorie ein instabiles Universum voraus, das sich entweder ausdehnen oder zusammenziehen würde. Um das Universum statisch zu machen, griff Einstein die kosmologische Konstante an.
Fast ein Jahrzehnt später entdeckte ein anderer Physiker, Edwin Hubble, dass unser Universum nicht statisch ist, sondern sich ausdehnt. Das Licht entfernter Galaxien zeigte, dass sie sich alle voneinander entfernten. Diese Offenbarung überzeugte Einstein, die kosmologische Konstante aus seinen Feldgleichungen zu streichen, da es nicht länger notwendig war, ein expandierendes Universum zu erklären. Laut physikalischer Überlieferung gestand Einstein später, dass seine Einführung der kosmologischen Konstante vielleicht sein größter Fehler war.
Im Jahr 1998 zeigten Beobachtungen entfernter Supernovae, dass sich das Universum nicht nur ausdehnte, sondern sich beschleunigte. Galaxien beschleunigten voneinander weg, als würde eine unbekannte Kraft die Schwerkraft überwinden und diese Galaxien auseinander schieben. Physiker haben dieses rätselhafte Phänomen Dunkle Energie genannt, da seine wahre Natur ein Rätsel bleibt.
In einer ironischen Wendung führten die Physiker die kosmologische Konstante erneut in Einsteins Feldgleichungen ein, um die Dunkle Energie zu erklären. Im aktuellen Standardmodell der Kosmologie, bekannt als ΛCDM (Lambda CDM), ist die kosmologische Konstante mit dunkler Energie austauschbar. Astronomen haben seinen Wert sogar anhand von Beobachtungen entfernter Supernovae und Schwankungen im kosmischen Mikrowellenhintergrund geschätzt. Obwohl der Wert absurd klein ist (in der Größenordnung von 10 ^ -52 pro Quadratmeter), ist er über die Skala des Universums signifikant genug, um die beschleunigte Expansion des Raums zu erklären.
"Die kosmologische Konstante macht derzeit etwa 70% des Energiegehalts in unserem Universum aus, was wir aus der beobachteten beschleunigten Expansion ableiten können, die unser Universum derzeit durchläuft. Diese Konstante wird jedoch nicht verstanden", sagte Lombriser. "Versuche, es zu erklären, sind gescheitert, und es scheint etwas Grundlegendes zu geben, das uns beim Verständnis des Kosmos fehlt. Das Auflösen dieses Puzzles ist eines der wichtigsten Forschungsgebiete in der modernen Physik. Es wird allgemein erwartet, dass die Lösung des Problems dazu führen kann uns zu einem grundlegenderen Verständnis der Physik. "
Die schlechteste theoretische Vorhersage in der Geschichte der Physik
Es wird angenommen, dass die kosmologische Konstante das darstellt, was Physiker "Vakuumenergie" nennen. Die Quantenfeldtheorie besagt, dass selbst in einem völlig leeren Vakuum des Raums virtuelle Teilchen ein- und ausgehen und Energie erzeugen - eine scheinbar absurde Idee, die jedoch experimentell beobachtet wurde. Das Problem entsteht, wenn Physiker versuchen, ihren Beitrag zur kosmologischen Konstante zu berechnen. Ihr Ergebnis unterscheidet sich von Beobachtungen durch einen umwerfenden Faktor von 10 ^ 121 (das sind 10, gefolgt von 120 Nullen), der größten Diskrepanz zwischen Theorie und Experiment in der gesamten Physik.
Eine solche Ungleichheit hat einige Physiker veranlasst, an Einsteins ursprünglichen Schwerkraftgleichungen zu zweifeln. Einige haben sogar alternative Schwerkraftmodelle vorgeschlagen. Weitere Hinweise auf Gravitationswellen durch das Laserinterferometer-Gravitationswellenobservatorium (LIGO) haben jedoch nur die allgemeine Relativitätstheorie gestärkt und viele dieser alternativen Theorien verworfen. Anstatt die Schwerkraft zu überdenken, verfolgte Lombriser einen anderen Ansatz, um dieses kosmische Rätsel zu lösen.
"Der von mir vorgeschlagene Mechanismus ändert Einsteins Feldgleichungen nicht", sagte Lombriser. Stattdessen "fügt es eine zusätzliche Gleichung zu Einsteins Feldgleichungen hinzu."
Die Gravitationskonstante, die zuerst in Isaac Newtons Gravitationsgesetzen verwendet wurde und jetzt ein wesentlicher Bestandteil von Einsteins Feldgleichungen ist, beschreibt die Größe der Gravitationskraft zwischen Objekten. Es gilt als eine der fundamentalen Konstanten der Physik, die seit Beginn des Universums für immer unverändert ist. Lombriser hat die dramatische Annahme getroffen, dass sich diese Konstante ändern kann.
In Lombrisers Modifikation der allgemeinen Relativitätstheorie bleibt die Gravitationskonstante innerhalb unseres beobachtbaren Universums dieselbe, kann aber darüber hinaus variieren. Er schlägt ein Multiversum-Szenario vor, in dem möglicherweise für uns unsichtbare Flecken des Universums unterschiedliche Werte für die Grundkonstanten haben.
Diese Variation der Schwerkraft gab Lombriser eine zusätzliche Gleichung, die die kosmologische Konstante mit der durchschnittlichen Summe der Materie über die Raumzeit in Beziehung setzt. Nachdem er die geschätzte Masse aller Galaxien, Sterne und dunklen Materie des Universums berücksichtigt hatte, konnte er diese neue Gleichung lösen, um einen neuen Wert für die kosmologische Konstante zu erhalten - einen, der eng mit den Beobachtungen übereinstimmt.
Unter Verwendung eines neuen Parameters, ΩΛ (Omega-Lambda), der den Anteil des Universums aus dunkler Materie ausdrückt, stellte er fest, dass das Universum zu etwa 74% aus dunkler Energie besteht. Diese Zahl entspricht weitgehend dem aus Beobachtungen geschätzten Wert von 68,5% - eine enorme Verbesserung gegenüber der enormen Ungleichheit, die die Quantenfeldtheorie feststellt.
Obwohl Lombrisers Framework das Problem der kosmologischen Konstante lösen könnte, gibt es derzeit keine Möglichkeit, es zu testen. Wenn jedoch in Zukunft Experimente aus anderen Theorien seine Gleichungen bestätigen, könnte dies einen großen Sprung in unserem Verständnis der Dunklen Energie bedeuten und ein Werkzeug zur Lösung anderer kosmischer Geheimnisse darstellen.
