Wird sich das Universum für immer ausdehnen oder irgendwann zu einem winzigen Fleck zusammenbrechen?
Ein im Juni veröffentlichtes Papier schlug vor, dass eine unendliche Expansion nach einer großen physikalischen Theorie unmöglich sei - eine Vermutung, die in der Physikgemeinschaft große Wellen schlug.
"Die Leute werden sehr, sehr emotional, denn wenn es wahr und entdeckt ist, wäre es spektakulär", sagte Timm Wrase, Physiker an der Technischen Universität Wien.
Jetzt haben Wrase und seine Kollegen eine separate Studie veröffentlicht, die ein großes Loch in dieses Argument steckt, was bedeutet, dass ein sich ständig erweiterndes Universum noch nicht ausgeschlossen werden kann.
Dunkle Energie und kosmische Expansion
Unser Universum ist von einer riesigen, unsichtbaren Kraft durchdrungen, die sich der Schwerkraft zu widersetzen scheint. Physiker nennen diese Kraft dunkle Energie, und es wird angenommen, dass sie unser Universum ständig nach außen drückt.
Im Juni veröffentlichte eine Gruppe von Physikern im Preprint-Journal arXiv einen Artikel, der besagt, dass sich die Dunkle Energie im Laufe der Zeit ändert. Dies bedeutet, dass sich das Universum nicht für immer ausdehnen wird, sondern möglicherweise in die Größe vor dem Urknall zusammenbricht.
Fast sofort fanden die Physiker jedoch Probleme mit der Theorie: Mehrere unabhängige Gruppen veröffentlichten später Arbeiten, die eine Überarbeitung der Vermutung vorschlugen. Ein am 2. Oktober in der Zeitschrift Physical Review D veröffentlichtes Papier legt nahe, dass die ursprüngliche Vermutung derzeit nicht wahr sein kann, da sie die Existenz des Higgs-Bosons nicht erklären kann - von dem wir wissen, dass es dank existiert der Large Hadron Collider, der massive Partikelcollider an der Grenze zwischen Frankreich und der Schweiz.
Mit ein wenig theoretischer Optimierung könnte die Vermutung des kollabierenden Universums dennoch realisierbar sein, sagte Wrase, Co-Autor des neuen Physical Review D-Papiers, gegenüber Live Science.
Wie erklären wir alles, was jemals existiert hat?
Die Stringtheorie, manchmal auch Theorie von allem genannt, ist ein mathematisch eleganter, aber experimentell unbewiesener Rahmen, um Einsteins allgemeine Relativitätstheorie mit der Quantenmechanik zu verbinden. Die Stringtheorie legt nahe, dass alle Teilchen, aus denen das Universum besteht, keine wirklichen Punkte sind, sondern eindimensionale Strings, die schwingen - und die Unterschiede in diesen Schwingungen ermöglichen es uns, ein Teilchen als Photon und ein anderes als Elektron zu sehen.
Damit die Stringtheorie eine brauchbare Erklärung für das Universum darstellt, muss sie jedoch dunkle Energie enthalten.
Stellen Sie sich diese dunkle Energie als einen Ball in einer Landschaft aus Bergen und Tälern vor, die die Menge an potentieller Energie darstellt, die sie hat, sagte Wrase. Wenn ein Ball auf dem Berg steht, kann er still sein, aber er kann mit der geringsten Störung herunterrollen, so dass er instabil ist. Wenn der Ball in einem Tal sitzt, verändert er sich nicht oder bewegt sich nicht, hat wenig Energie und befindet sich in einem stabilen Universum, da er selbst bei einem starken Stoß wieder ins Tal zurückrollen würde.
Stringtheoretiker gingen lange davon aus, dass die Dunkle Energie im Universum konstant und unveränderlich ist. Mit anderen Worten, es kuschelt sich in die Täler zwischen den Bergen, rollt nicht von den Berggipfeln und verändert sich daher nicht im Laufe der Zeit, sagte Wrase.
Die im Juni vorgebrachte Vermutung legt jedoch nahe, dass die Landschaft keine Berge oder Täler über dem Meeresspiegel hat, damit die Stringtheorie funktioniert. (In dieser Konzeption steht unser Universum über dem Meeresspiegel - was metaphorisch den Punkt markiert, an dem dunkle Energie beginnt, das Universum entweder zusammenzureißen oder das Universum auseinander zu drücken.)
Vielmehr ist die Landschaft leicht geneigt und der Ball der dunklen Energie rollt immer weiter nach unten. "Während es nach unten rollt, wird die dunkle Energie immer kleiner", sagte Wrase. "Die Höhe des Balls entspricht der Menge an dunkler Energie in unserem Universum."
In dieser Theorie könnte dunkle Energie irgendwann unter den Meeresspiegel gelangen und das Universum wieder in seine Form vor dem Urknall zurückziehen.
Aber es gibt nur ein Problem, sagte Wrase.
"Wir haben gezeigt, dass solche instabilen Berggipfel existieren müssen", sagte er. Das liegt daran, dass wir wissen, dass das Higgs-Teilchen existiert. Und wir haben experimentell bewiesen, dass die Higgs-Teilchen auf diesen Berggipfeln oder "instabilen Universen" existieren und mit der geringsten Berührung gestört werden können, sagte er.
Schwierigkeiten mit der Stabilität von Universen
Cumrun Vafa, ein Stringtheoretiker in Harvard und leitender Autor des Vermutungspapiers vom Juni, sagte Live Science in einer E-Mail, dass die ursprüngliche Vermutung tatsächlich "Schwierigkeiten mit instabilen Universen" habe. Dieses neue Papier und einige andere zeigen dieses Problem, fügte er hinzu. Es gibt jedoch mehrere Papiere, in denen geringfügige Änderungen der Vermutung vorgeschlagen wurden, die immer noch den von Wrase und seinem Team vorgeschlagenen Einschränkungen entsprechen würden, sagte er.
Selbst in der überarbeiteten Vermutung "würden wir uns nicht in einem stabilen Universum befinden, sondern die Dinge würden sich ändern", sagte Wrase. Die Revision besagt, dass Berggipfel existieren können, stabile Täler jedoch nicht, sagte er. (Stellen Sie sich die Form eines Pferdesattels vor). Der Ball muss irgendwann anfangen zu rollen und die dunkle Energie muss sich mit der Zeit ändern, fügte er hinzu. Aber "wenn die Vermutung falsch ist, dann könnte die dunkle Energie konstant sein, wir würden in einem Tal zwischen zwei Bergen sitzen" und das Universum würde sich weiter ausdehnen.
Innerhalb von 10 bis 15 Jahren hofft er, dass Satelliten, die die Expansion des Universums genauer messen, uns helfen können, zu verstehen, ob die Dunkle Energie konstant ist oder sich ändert.
Vafa stimmte zu. "Es sind aufregende Zeiten in der Kosmologie und hoffentlich werden wir in den nächsten Jahren experimentelle Beweise für die Veränderung der dunklen Energie in unserem Universum sehen", sagte er.
