Dunkle Energie mag im Nichts des Raumes lauern

Eine neue Studie könnte dazu beitragen, die Natur der dunklen Energie, der geheimnisvollen Substanz, die das Universum nach außen drängt, aufzudecken. Dunkle Energie kann aus Fluktuationen im Nichts des leeren Raums entstehen, eine neue Hypothese suggeriert.

Diese Idee wiederum könnte auch erklären, warum die kosmologische Konstante, eine mathematische Konstante, die Albert Einstein beschworen hat und die bekanntlich "der größte Fehler seines Lebens" genannt wird, den Wert hat, den er hat. [8 Möglichkeiten, Einsteins Relativitätstheorie im wirklichen Leben zu sehen]

Die neue Studie schlug vor, dass die Expansion von Fluktuationen in der Energie angetrieben wird, die durch das Vakuum oder Bereiche von freiem Raum getragen werden. Die Fluktuationen erzeugen einen Druck, der den Weltraum dazu zwingt, sich auszudehnen, wodurch Materie und Energie weniger dicht werden, wenn das Universum altert, sagte Studienkoautor Qingdi Wang, ein Doktorand an der Universität von British Columbia (UBC) in Kanada.

Beschleunigendes Universum

Wissenschaftler nennen die Kraft, die das Universum dazu bringt, eine kosmologische Konstante zu erweitern (obwohl es keine "Kraft" im engeren Sinne ist). Diese Konstante ist die Energiedichte des Raumes selbst. Wenn es größer als Null ist, implizieren Einsteins Gleichungen der Relativitätstheorie, die die Struktur der Raumzeit beschreiben, ein expandierendes Universum. In den späten 1990er Jahren zeigten Messungen von entfernten Supernovas, dass das Universum sich beschleunigte und nicht nur expandierte. Kosmologen nennen die Energie, die diese Beschleunigung antreibt, dunkle Energie. Was auch immer dunkle Energie ist, es verteilt sich langsamer als Materie oder dunkle Materie und verklumpt nicht so, wie es beide unter dem Einfluss der Schwerkraft tun.

Diese Beschleunigung war ein großes Dilemma für Physiker, weil es den Vorhersagen von Quantenfeldtheorien, den theoretischen Rahmenwerken, die die Wechselwirkungen der kleinsten subatomaren Teilchen beschreiben, widerspricht. Quantenfeldtheorien sagen Vakuumenergien voraus, die so groß sind, dass das Universum überhaupt nicht existieren sollte, sagte Lucas Lombriser, Postdoktorand am Royal Observatory in Edinburgh, Schottland, der an der neuen Studie nicht beteiligt war. Diese Diskrepanz wird als das "alte" Problem der kosmologischen Konstanten bezeichnet, und die Physiker gingen im Allgemeinen davon aus, dass sobald die neue Physik entdeckt wurde, die kosmologische Konstante verschwinden würde; Expansion würde auf andere Weise erklärt werden.

Als Wissenschaftler jedoch die beschleunigte Expansion entdeckten, entstand ein neues Problem. Nach theoretischen Berechnungen sollte die kosmologische Konstante 50 bis 120 Größenordnungen größer sein als sie ist, mit einer entsprechend großen Expansionsrate, sagte Lombriser.

Im Wesentlichen sollte die Energiedichte des Universums (wie viel Energie es pro Volumeneinheit gibt) gigantisch sein, und das ist es eindeutig nicht.

Schwankungen im leeren Raum

Die neue Arbeit befasst sich nicht nur damit, was dunkle Energie ist, sondern auch, warum die Rate der universellen Expansion den Wert hat, den sie hat.

"Jeder möchte wissen, was dunkle Energie ist", sagte Wang zu Live Science. "Ich habe diese Frage genauer betrachtet", aus der Perspektive der Energiedichte des Universums.

Wang und seine Kollegen nahmen an, dass die moderne Quantenfeldtheorie korrekt sei, da die Energiedichte sehr groß sei, aber die Vakuumfluktuationen oder die Bewegungen des leeren Raums auf kleinen Skalen sehr groß seien, nahe der sogenannten Planck-Länge oder 1.62 × 10 ^ minus 35 Meter. Das ist so klein, dass ein Proton 100 Millionen Billionen Mal größer ist.

"Jeder Punkt im Raum erlebt Expansion und Kontraktion", sagte er. "Aber es sieht glatt aus, so wie ein Tisch von weit weg glatt aussieht."

Die Vakuumschwankungen sind in Wangs Formulierung wie Kinder auf einer Schaukel, die ihre Beine pumpen. Obwohl niemand sie drängt, schaffen sie es, zusätzliche Energie auf die Schaukel zu geben, wodurch die Schaukel höher steigt, als es sonst der Fall wäre. Dieses Phänomen wird parametrische Resonanz genannt, was im Grunde bedeutet, dass sich ein Teil des Systems - die Ausdehnung und Kontraktion oder das Schwingen der Beine des Kindes - mit der Zeit ändert. In diesem Fall ändert sich die Dichte eines winzigen Teils des Universums, sagte Wang.

Da die Schwankungen kleine Teile des Universums sind, die sich ausdehnen und zusammenziehen, summiert sich diese winzige Resonanz auf kosmologischen Skalen, sagte er. Also expandiert das Universum. (Die Ausdehnung und Kontraktion des Raumes verletzt nicht die Erhaltungssätze, weil der Raum selbst expandiert).

Als Folge von Wangs Ansatz sind keine neuen Felder erforderlich, wie bei einigen dunklen Energiemodellen. Stattdessen entspricht die Ausdehnung des Universums in etwa der von der Quantenfeldtheorie vorhergesagten.

Beobachtungen benötigt

Während Wangs Idee eine gute ist, heißt das nicht, dass es das Ende der Geschichte ist, sagte Lombriser. Die Frage ist, ob Beobachtungen des Universums die Theorie ausdrücken, sagte er.

"Bisher können sie argumentieren, dass der Vakuumbeitrag für das, was beobachtet wird, recht ist (was, wenn es hält, bereits ein großer Erfolg ist", sagte Lombriser in einer E-Mail. "Sie haben noch keine genaue Vorhersage für den genau beobachteten Wert gemacht, aber das wollen sie in ihrer zukünftigen Arbeit weiter untersuchen."

Andere Physiker sind skeptischer.

"Auf diesen Hochenergieskalen funktioniert die klassische Allgemeine Relativitätstheorie nicht mehr, aber das ist es, was sie benutzen. Ihre Näherung ist also interessant, aber nicht gut begründet, denn in dieser Grenze sollte man die Quantengravitation ( eine Theorie, die wir nicht haben ", sagte Sabine Hossenfelder, wissenschaftliche Mitarbeiterin am Frankfurter Institut für Höhere Studien, gegenüber Live Science per E-Mail.

"Dieses Papier ist nur ein erster Schritt in diesem Prozess", sagte Co-Autor William Unruh, ein Physiker bei UBC."Aber ich denke, der Weg ist es wert, verfolgt zu werden, da unsere Ergebnisse suggestiv sind."

Die Studie wird in der 15. Mai Ausgabe der Zeitschrift Physical Review D veröffentlicht.

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