Wie jeder weiß, erweitert sich das Universum ständig. Aber viele merken nicht einmal, dass sich der Prozess beschleunigt und dass Physiker keine vernünftige Erklärung für dieses Phänomen haben. Eine Gruppe von Theoretikern schlug vor, dass es sich um eine mysteriöse "dunkle Energie" handelt, und jetzt werden wir Ihnen in zugänglicher Form sagen, was es ist.
Seit fast zwei Jahrzehnten wissen Astronomen, dass sich die Expansion des Universums beschleunigt, als würde eine mysteriöse "dunkle Energie" es wie einen Ballon von innen aufblasen. Diese Energie bleibt bis heute eines der größten Rätsel der Physik. Nun argumentieren drei Theoretiker, dass dunkle Energie aus einer erstaunlichen Quelle stammt. So gruselig es auch klingen mag, es widerspricht ihrer Meinung nach den Grundlagen der Physik, die jeder in der Schule gelernt hat: Die Menge an Gesamtenergie im Universum ist nicht fest und unverändert, sie kann allmählich verschwinden.
Laut Wissenschaftlern kann dunkle Energie ein spezielles Feld sein, ein bisschen wie elektrisches, das den Raum ausfüllt. Andererseits kann es Teil des Kosmos selbst sein, der als kosmologische Konstante (ansonsten als Lambda-Begriff) bezeichnet wird. Das zweite Szenario sieht aus wie ein Spott über Einsteins Relativitätstheorie, die besagt, dass die Schwerkraft auftritt, wenn Masse und Energie Raum und Zeit biegen. Tatsächlich ist die kosmologische Konstante auch eine Erfindung von Einstein, und er erfand sie buchstäblich, indem er seinen Gleichungen eine Konstante hinzufügte, um zu erklären, wie das Universum der Zerstörung durch seine eigene Schwerkraft widersteht. Er gab die Idee jedoch auf, als Astronomen in den 1920er Jahren entdeckten, dass das Universum nicht statisch war, sondern sich ausdehnte, als wäre es aus einer Explosion entstanden.
Bei näherer Betrachtung wurde klar, dass sich die Expansion des Universums beschleunigte und die kosmologische Konstante wieder zurückkehrte. Im Rahmen der Quantenmechanik wird es jedoch viel schlauer. Die Quantenmechanik legt nahe, dass das Vakuum selbst unmerklich schwingen muss. In der allgemeinen Relativitätstheorie erzeugen diese winzigen Quantenfluktuationen Energie, die als kosmologische Konstante dient. Wenn alle anderen Dinge gleich sind, muss es 120 Größenordnungen größer sein, um das Universum zu zerstören. Die Erklärung, warum die kosmologische Konstante zwar existiert, aber in sehr bescheidener Form, ist für Physiker ein großes Rätsel. Wenn es noch nicht notwendig war, gingen die Physiker einfach davon aus, dass ein noch unbekannter Effekt ihn einfach auf Null reduzieren würde.
Jetzt behaupten Thibault Josette und Alejandro Perez von der Universität Aix-Marseille in Frankreich und Daniel Sudarski von der Nationalen Autonomen Universität von Mexiko in Mexiko-Stadt, einen Weg gefunden zu haben, einen vernünftigen Wert für die kosmologische Konstante abzuleiten. Sie begannen mit einer Version der allgemeinen Relativitätstheorie, die Einstein selbst erfunden hatte und die unimodulare Schwerkraft genannt wurde. Die allgemeine Relativitätstheorie setzt eine mathematische Symmetrie und eine allgemeine Kovarianz voraus, was bedeutet, dass die theoretische Vorhersage unabhängig davon, wie Sie die Position einer Koordinate in Raum und Zeit bestimmen, dieselbe bleibt. Diese Symmetrie erfordert die Erhaltung von Energie und Impuls. Die unimodulare Schwerkraft hat eine begrenzte Version dieser mathematischen Symmetrie.
Dieses System gibt die meisten Annahmen der allgemeinen Relativitätstheorie wieder. Demnach erzeugen Quantenfluktuationen des Vakuums jedoch keine Schwerkraft oder beeinflussen die kosmologische Konstante (die schließlich nur eine mathematische Konstante ist und deren Wert alles sein kann). Dies hat jedoch seinen Preis: Die unimodulare Schwerkraft benötigt keine Energie, um sie zu sparen, daher müssen Theoretiker sie willkürlich begrenzen.
Ein Trio von Wissenschaftlern hat gezeigt, dass die unimodulare Schwerkraft, wenn sie akzeptiert wird und gegen das Gesetz der Energie- und Impulserhaltung verstößt, tatsächlich den Wert der festgelegten Konstante festlegt. Das Argument hier ist mathematisch, aber tatsächlich hinterlässt sogar ein kleiner Teil der Energie, die im Universum verschwindet, eine Spur in Form einer Änderung der kosmologischen Konstante. "Die dunkle Energie in unserem Modell ist genau das Ergebnis davon, wie viel Energie und Impuls im Universum während seiner gesamten Existenz verloren gegangen ist", sagt Perez.
Um zu beweisen, dass ihre Theorie vernünftig und auf die Realität anwendbar ist, untersuchten die Wissenschaftler zwei Szenarien, wie sich ein Verstoß gegen das Energieerhaltungsgesetz theoretisch auf die zugrunde liegenden Probleme der Quantenmechanik auswirken würde. Zum Beispiel versucht die Theorie der kontinuierlichen spontanen Lokalisierung (CSL) zu erklären, warum subatomare Teilchen wie Elektronen buchstäblich an zwei Orten gleichzeitig sein können, aber so große Objekte wie Autos oder Menschen nicht. CSL geht davon aus, dass solche Materiezustände spontan entstehen und sich in Abhängigkeit auflösen, was mit zunehmendem Volumen eines Objekts zunimmt, was bedeutet, dass ein großes Objekt unter den Bedingungen der Erde einfach nicht "doppelt" sein kann. Gegen diese Theorie spricht die Tatsache, dass die Energieeinsparung nicht berücksichtigt wird. Theoretiker haben jedoch gezeigt, dass die Summe der Verstöße gegen die Bestimmungen zur Energieeinsparung genau das ist,eine kosmologische Konstante der gewünschten Größe zu geben.
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Trotzdem spielen Theoretiker nach Ansicht einiger Wissenschaftler einfach mit Mathematik. Sie müssen immer noch davon ausgehen, dass die kosmologische Konstante bei einem kleinen Wert beginnt, aber sie erklären diesen Aspekt nicht. Die moderne Physik ist jedoch voll von unerklärlichen Konstanten wie der Ladung eines Elektrons oder der Lichtgeschwindigkeit, so dass dies nur eine weitere Konstante auf einer langen Liste ist.
