Als vor 20 Jahren klar wurde, dass sich die Expansion des Universums beschleunigt, präsentierten die Wissenschaftler eine vollständige, einfache und überprüfbare Erklärung. Als jedoch immer mehr experimentelle und beobachtende Daten eingingen, blieb der Grund für die Dunkle Energie - vermutlich der Grund für diese Beschleunigung - schwer fassbar. Während es technisch einer "kosmologischen Konstante" (oder der dem Raum selbst innewohnenden Energie) entspricht, gibt es keine Möglichkeit, auf ihren Wert zu schließen. Wenn wir uns jedoch daran erinnern, dass das Platzieren bestimmter Formen von Materie im leeren Raum die auf diese Materie einwirkenden Kräfte verändert, entsteht dunkle Energie möglicherweise nach einem sehr einfachen Prinzip: Weil es in unserem Universum Materie als solche gibt.
Clustering-Karte von Galaxien in unserem Universum. Das Vorhandensein dieser Strukturen kann das Vorhandensein und die Kraft der Dunklen Energie in ihrer Gesamtheit erklären.
Die meisten Kräfte und Phänomene haben Ursprünge, die leicht zu entdecken sind. Zwei massive Objekte erfahren die Schwerkraft aufgrund der Tatsache, dass die Raumzeit aufgrund der Anwesenheit von Materie und Energie verzerrt ist. Das Universum hat sich ausgedehnt, weil es eine eigene Geschichte von Änderungen der Energiedichte im Universum und der Anfangsbedingungen für die Expansion hat. Und alle Teilchen im Universum interagieren aufgrund der bekannten Regeln der Quantenfeldtheorie und des Austauschs von Vektorbosonen auf eine bestimmte Weise. Von den kleinsten subatomaren Teilchen bis zu den größten Skalen treiben dieselben Kräfte Bosonen und Galaxien an.
Die starke Wechselwirkung, die aufgrund des Vorhandenseins von "Farbveränderungen" und des Austauschs von Gluonen auftritt, hält die Atomkerne zusammen
Selbst die mysteriösesten Phänomene in ihrem Kern enthalten Erklärungen, die gut verstanden werden. Wir wissen nicht, warum es im Universum mehr Materie als Antimaterie gibt, aber wir wissen, dass die Bedingungen, die wir dafür benötigen - Verletzung der Baryonenzahl, Verletzung von C und CP - stattfinden. Wir wissen nicht, was die Natur der Dunklen Materie ist, aber ihre allgemeinen Eigenschaften, wo sie sich befindet und wie sie sich zusammenballt, sind alle gut verstanden. Wir wissen auch nicht, ob Schwarze Löcher Informationen bewahren oder nicht, aber wir verstehen den End- und Anfangszustand dieser Objekte sowie wie sie geboren werden und was mit ihrem Ereignishorizont im Laufe der Zeit passiert.
Eine Illustration eines Schwarzen Lochs und seiner Umgebung, einer sich beschleunigenden und aufblasenden Akkretionsscheibe. Der Anfangs- und Endzustand von Schwarzen Löchern kann gut vorhergesagt werden, selbst wenn der Verlust oder die Speicherung von Informationen nicht der Fall ist
Aber eines verstehen wir überhaupt nicht: dunkle Energie. Natürlich können wir die Beschleunigung des Universums messen und seine Größe genau verstehen. Aber warum haben wir überhaupt ein Universum mit einer dunklen Energie ungleich Null? Warum hat der leere Raum, in dem es nichts gibt - egal, keine Krümmung, keine Strahlung, nichts - positive Energie ungleich Null? Und warum begann diese Energiemenge, die in den ersten Milliarden Jahren der Geschichte des Universums unverständlich klein und völlig unsichtbar war, das Universum erst zu dem Zeitpunkt zu erfassen, als die Erde darin erschien?
Eine Darstellung einer protoplanetaren Scheibe, in der sich Planeten und Planetesimale bilden und Lücken in der Scheibe erzeugen. Vor vier bis fünf Milliarden Jahren, als sich unser Sonnensystem bildete, begann dunkle Energie gleichzeitig, die Expansion des Universums und die Energiedichte zu erfassen
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Es gibt viele interessante Dinge, die wir mit dunkler Energie und dem Universum als Ganzes verbinden können. Es gibt viel leeren Raum, den Quantenfelder durchdringen. Es gibt keine Regionen im Universum, in die Gravitations-, elektromagnetische oder nukleare Kräfte eindringen. Sie sind überall. Wenn wir versuchen, den sogenannten Vakuum-Erwartungswert (Kondensat) verschiedener Quantenfelder zu berechnen, sehen wir uns mit einer unendlichen Anzahl von Begriffen konfrontiert und können ihn nur annähernd schreiben. Wir werden uns immer mit ungefähren Werten befassen. Und soweit wir wissen, sind sie nicht ausgeglichen und das Universum verlangsamt sich nicht - es beschleunigt sich tatsächlich. Irgendwie hat der Raum selbst ein wenig Energie ungleich Null. Und diese Energie bewirkt, dass sich entfernte Galaxien im Universum mit immer größerer Geschwindigkeit von uns entfernen.wenn auch langsam, aber ständig.
Die Frage "warum?" hört nie auf, Theoretiker zu quälen. Warum expandiert das Universum immer schneller? Wir können das Vorhandensein dieser dunklen Energie in nichts erklären. Vielleicht haben wir wenig Verständnis für das Universum selbst. Es gibt jedoch eine andere Option, über die selten nachgedacht wird: Vielleicht wird diese Eigenschaft des leeren Raums durch die Anwesenheit anderer Dinge - wie Materie - im Universum bestimmt.
Und es gibt einen Grund zu der Annahme, dass dies möglich ist, was als Casimir-Effekt bezeichnet wird. Wir kennen ihn gut.
Darstellung des Casimir-Effekts und wie sich die Kräfte außerhalb der Platten von den Kräften zwischen ihnen unterscheiden
Was ist die elektromagnetische Kraft des leeren Raums? Natürlich null. Wenn keine Ladungen, Ströme und Materie für die Wechselwirkung vorhanden sind, ist es Null, kein Scherz. Wenn Sie jedoch zwei Metallplatten in einem bestimmten Abstand zwischen ihnen platzieren und dann erneut nach der elektromagnetischen Kraft fragen, wird sie nicht mehr Null sein. Aufgrund der Tatsache, dass einige Arten von Quantenfluktuationen aufgrund der Grenzen der Platte verboten sind, sagen wir nicht nur voraus, sondern messen auch die Kraft ungleich Null zwischen diesen Platten, die buchstäblich aus dem leeren Raum erscheint. Und was am interessantesten ist, alle Kräfte, einschließlich der Gravitationskräfte, zeigen den Casimir-Effekt.
Karte von über einer Million Galaxien im Universum; An jedem Punkt gibt es eine eigene Galaxie. Verschiedene Farben stehen für Entfernungen. rot - weiter
Was passiert, wenn wir versuchen, diesen Effekt auf das gesamte Universum anzuwenden und den Effekt zu berechnen? Die Antwort ist einfach: Wir bekommen etwas, das in irgendeiner Form der dunklen Energie entspricht, nur - wieder - in einer anderen Reihenfolge. Und dies kann daran liegen, dass wir nicht genau wissen, wie die Randbedingungen des Universums sind oder wie der Quantengravitationseffekt korrekt berechnet werden kann.
Die Abbildung des Universums kann der einfachste Teil sein. Es ist unwahrscheinlich, dass wir auf einen beobachteten oder experimentellen Durchbruch warten, der uns zu einem Verständnis der Dunklen Energie führt, der schwer fassbaren Kraft im Universum. Wir brauchen vielleicht einen theoretischen Durchbruch. Und möglicherweise ist dies mit einer Spurenanomalie, einer Änderung der dynamischen Größe oder sogar einer Spur zusätzlicher Dimensionen verbunden. Wir haben erst kürzlich das schwierigste Geheimnis gefunden, das es zu erklären gilt. Vielleicht liegt die Lösung in der Physik, die wir bereits kennen.
Ilya Khel
