Seit den späten 1920er Jahren sind sich Astronomen der Tatsache bewusst, dass sich das Universum in einem Expansionszustand befindet. Ursprünglich von Einsteins Theorie der Allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagt, hat diese Erkenntnis das am weitesten verbreitete kosmologische Modell - die Urknalltheorie - beeinflusst. In den neunziger Jahren wurde es jedoch etwas verwirrend, als verbesserte Beobachtungen zeigten, dass sich die Expansionsrate des Universums seit Milliarden von Jahren beschleunigt.
Dies führte zur Theorie der Dunklen Energie, einer mysteriösen unsichtbaren Kraft, die die Expansion des Kosmos vorantreibt. Ähnlich wie bei der Dunklen Materie, die die „fehlende Masse“ erklärte, wurde es dann notwendig, diese schwer fassbare Energie zu finden oder zumindest einen kohärenten theoretischen Rahmen dafür bereitzustellen. Eine neue Studie der University of British Columbia (UBC) versucht genau dies zu erreichen, indem sie postuliert, dass sich das Universum aufgrund von räumlichen und zeitlichen Schwankungen ausdehnt.
Die Studie - die kürzlich in der Zeitschrift veröffentlicht wurde Körperliche Überprüfung D. - wurde von Qingdi Wang geleitet, einem Doktoranden am Institut für Physik und Astronomie der UBC. Unter der Aufsicht von UBC-Professor William Unruh (dem Mann, der den Unruh-Effekt vorgeschlagen hat) und mit Unterstützung von Zhen Zhu (einem weiteren Doktoranden an der UBC) bieten sie eine neue Sicht auf Dark Energy.
Das Team befasste sich zunächst mit den Inkonsistenzen, die sich aus den beiden Haupttheorien ergeben, die zusammen alle natürlichen Phänomene im Universum erklären. Diese Theorien sind nichts anderes als Allgemeine Relativitätstheorie und Quantenmechanik, die effektiv erklären, wie sich das Universum auf der größten Skala (d. H. Sterne, Galaxien, Cluster) und der kleinsten (subatomare Teilchen) verhält.
Leider sind diese beiden Theorien nicht konsistent, wenn es um eine kleine Materie geht, die als Schwerkraft bekannt ist und die Wissenschaftler mit der Quantenmechanik immer noch nicht erklären können. Die Existenz der Dunklen Energie und die Ausdehnung des Universums sind ein weiterer Punkt der Meinungsverschiedenheit. Für den Anfang weisen Kandidatentheorien wie Vakuumenergie - eine der beliebtesten Erklärungen für Dunkle Energie - schwerwiegende Inkongruenzen auf.
Laut der Quantenmechanik hätte Vakuumenergie eine unglaublich große Energiedichte. Wenn dies jedoch zutrifft, sagt die Allgemeine Relativitätstheorie voraus, dass diese Energie einen unglaublich starken Gravitationseffekt haben würde, der stark genug wäre, um das Universum in seiner Größe explodieren zu lassen. Wie Prof. Unruh dem Space Magazine per E-Mail mitteilte:
„Das Problem ist, dass jede naive Berechnung der Vakuumenergie enorme Werte liefert. Wenn man annimmt, dass es eine Art Grenzwert gibt, kann man keine Energiedichten erhalten, die viel größer sind als die Planck-Energiedichte (oder ungefähr 10)95 Joule / Meter³) dann findet man, dass man eine Hubble-Konstante - die Zeitskala, auf der sich das Universum ungefähr verdoppelt - in der Größenordnung von 10 erhält-44 sek. Der übliche Ansatz ist also zu sagen, dass etwas das irgendwie reduziert, so dass man stattdessen die tatsächliche Expansionsrate von etwa 10 Milliarden Jahren erhält. Aber das ‚irgendwie 'ist ziemlich mysteriös und niemand hat sich einen halbwegs überzeugenden Mechanismus ausgedacht.“
Während andere Wissenschaftler versucht haben, die Theorien der Allgemeinen Relativitätstheorie und der Quantenmechanik zu modifizieren, um diese Inkonsistenzen zu lösen, suchten Wang und seine Kollegen einen anderen Ansatz. Wie Wang dem Space Magazine per E-Mail erklärte:
„Frühere Studien haben entweder versucht, die Quantenmechanik auf irgendeine Weise zu modifizieren, um die Vakuumenergie klein zu machen, oder die Allgemeine Relativitätstheorie auf irgendeine Weise zu modifizieren, um die Schwerkraft für die Vakuumenergie taub zu machen. Quantenmechanik und Allgemeine Relativitätstheorie sind jedoch die beiden erfolgreichsten Theorien, die erklären, wie unser Universum funktioniert. Anstatt zu versuchen, die Quantenmechanik oder die Allgemeine Relativitätstheorie zu modifizieren, glauben wir, dass wir sie zuerst besser verstehen sollten. Wir nehmen die von der Quantenmechanik vorhergesagte große Vakuumenergiedichte ernst und lassen sie gemäß der Allgemeinen Relativitätstheorie gravitieren, ohne sie zu modifizieren. “
Für ihre Studie führten Wang und seine Kollegen neue Berechnungen zur Vakuumenergie durch, die die vorhergesagte hohe Energiedichte berücksichtigten. Sie betrachteten dann die Möglichkeit, dass das Gewebe der Raumzeit auf kleinsten Skalen - milliardenfach kleiner als Elektronen - wilden Schwankungen unterliegt, die an jedem Punkt zwischen Expansion und Kontraktion oszillieren.
Beim Hin- und Herschwingen ist das Ergebnis dieser Schwingungen ein Nettoeffekt, bei dem sich das Universum langsam, jedoch mit zunehmender Geschwindigkeit ausdehnt. Nach Durchführung ihrer Berechnungen stellten sie fest, dass eine solche Erklärung sowohl mit der Existenz der Quantenvakuumenergiedichte als auch mit der Allgemeinen Relativitätstheorie übereinstimmt. Darüber hinaus stimmt es mit dem überein, was Wissenschaftler seit fast einem Jahrhundert in unserem Universum beobachten. Wie Unruh es beschrieb:
„Unsere Berechnungen haben gezeigt, dass man konsequent davon ausgehen kann, dass sich das Universum im kleinsten Maßstab tatsächlich mit einer absurd schnellen Geschwindigkeit ausdehnt und zusammenzieht. Aber dass die Physik im großen Maßstab aufgrund einer Mittelung über diese winzigen Maßstäbe diesen „Quantenschaum“ nicht bemerken würde. Es hat einen winzigen Resteffekt bei der Erzielung einer effektiven kosmologischen Konstante (Effekt vom Typ der dunklen Energie). In gewisser Weise ist es wie Wellen auf dem Ozean, die sich bewegen, als ob der Ozean vollkommen glatt wäre, aber wir wissen wirklich, dass es diesen unglaublichen Tanz der Atome gibt, aus denen das Wasser besteht, und Wellen mitteln über diese Schwankungen und verhalten sich so, als ob die Die Oberfläche war glatt. “
Im Gegensatz zu widersprüchlichen Theorien eines Universums, in denen die verschiedenen Kräfte, die es regieren, nicht gelöst werden können und sich gegenseitig aufheben müssen, präsentieren Wang und seine Kollegen ein Bild, in dem das Universum ständig in Bewegung ist. In diesem Szenario heben sich die Auswirkungen der Vakuumenergie tatsächlich selbst auf und führen auch zu der Expansion und Beschleunigung, die wir die ganze Zeit beobachtet haben.
Obwohl es vielleicht zu früh ist, dies zu sagen, könnte dieses Bild eines Universums, das hochdynamisch ist (selbst auf kleinsten Skalen), unser Verständnis der Raumzeit revolutionieren. Zumindest werden diese theoretischen Erkenntnisse die Debatte innerhalb der wissenschaftlichen Gemeinschaft sowie Experimente anregen, die direkte Beweise liefern sollen. Und das ist, wie wir wissen, der einzige Weg, unser Verständnis für dieses als Universum bekannte Ding zu verbessern.
