Das vollständige UV-sichtbare-IR-Komposit des XDF; das größte Bild, das jemals vom fernen Universum veröffentlicht wurde. Jede hier gezeigte Galaxie wird dank der dunklen Energie irgendwann schneller als mit Lichtgeschwindigkeit von uns weg beschleunigen. Bildnachweis: NASA, ESA, H. Teplitz und M. Rafelski (IPAC / Caltech), A. Koekemoer (STScI), R. Windhorst (Arizona State University) und Z. Levay (STScI).

Eine neue Erklärung für dunkle Energie: die Materie in unserem Universum

Wie der Gravitations-Casimir-Effekt die beschleunigte Expansion unseres Universums ohne neue Physik bewirken könnte.

"Obwohl es sicher stimmt, dass quantitative Messungen von großer Bedeutung sind, ist es ein schwerwiegender Fehler anzunehmen, dass die gesamte experimentelle Physik unter diese Überschrift fallen kann." -Hendrik Casimir

Seit sich die Expansion des Universums vor fast 20 Jahren erstmals beschleunigte, haben sich Wissenschaftler nach einer überzeugenden, einfachen und überprüfbaren Erklärung gesehnt. Da jedoch immer mehr Daten aus Experimenten und Beobachtungen eingegangen sind, ist die Ursache dieser dunklen Energie - die hypothetische Ursache der Beschleunigung - unglaublich schwer fassbar. Während es funktional einer „kosmologischen Konstante“ (oder der „dem Raum selbst innewohnenden Energie“) entspricht, gibt es keinen guten Weg, um eine Vorhersage für seinen Wert zu erhalten. Wenn Sie jedoch bedenken, dass das Einbringen bestimmter Formen von Materie in den leeren Raum die Kräfte auf diese Materie verändert, entsteht dunkle Energie möglicherweise aus der einfachsten Ursache von allen: der Tatsache, dass unser Universum überhaupt Materie enthält.

Eine Karte des Klumpen- / Clustermusters, das Galaxien in unserem Universum heute aufweisen. Das Vorhandensein dieser Strukturen könnte das Vorhandensein und die Größe der Dunklen Energie in ihrer Gesamtheit erklären. Bildnachweis: Greg Bacon / STScI / Goddard Space Flight Center der NASA.

Die meisten Kräfte und Phänomene im Universum haben Ursachen, die leicht aufgedeckt werden können. Zwei massive Objekte erfahren eine Gravitationskraft aufgrund der Tatsache, dass die Raumzeit durch die Anwesenheit von Materie und Energie gekrümmt wird. Das Universum hat sich im Laufe seiner Geschichte aufgrund der sich ändernden Energiedichte des Universums und der anfänglichen Expansionsbedingungen erweitert. Und alle Teilchen im Universum erfahren die Wechselwirkungen, die sie aufgrund der bekannten Regeln der Quantenfeldtheorie und des Austauschs von Vektorbosonen ausführen. Von den kleinsten subatomaren Teilchen bis zu den größten Skalen von allen spielen dieselben Kräfte eine Rolle, die alles von Protonen über Menschen bis hin zu Planeten und Galaxien zusammenhalten.

Die starke Kraft, die aufgrund der Existenz von 'Farbladung' und des Austauschs von Gluonen so wirkt, ist für die Kraft verantwortlich, die Atomkerne zusammenhält. Bildnachweis: Wikimedia Commons-Benutzer Qashqaiilove.

Sogar einige der mysteriöseren Phänomene haben Erklärungen, die gut verstanden werden. Wir wissen nicht, wie es im Universum mehr Materie als Antimaterie geben muss, aber wir wissen, dass die Bedingungen, die wir dafür benötigen - Verletzung der Baryonenzahl, Bedingungen außerhalb des Gleichgewichts und Verletzung von C und CP - alle existieren. Wir wissen nicht, was die Natur der Dunklen Materie ist, aber ihre generischen Eigenschaften, wo sie sich befindet und wie sie sich verklumpt, sind gut bekannt. Und wir wissen nicht, ob Schwarze Löcher Informationen bewahren oder nicht, aber wir verstehen den End- und Anfangszustand dieser Objekte sowie wie sie entstehen und was mit ihrem Ereignishorizont im Laufe der Zeit passiert.

Illustration eines Schwarzen Lochs und seiner umgebenden, beschleunigenden und infallierenden Akkretionsscheibe. Der Anfangs- und Endzustand von Schwarzen Löchern kann gut vorhergesagt werden, auch wenn der Verlust oder die Aufbewahrung von Informationen derzeit nicht möglich ist. Bildnachweis: NASA.

Aber eines verstehen wir überhaupt nicht: dunkle Energie. Sicher, wir können die Beschleunigung des Universums messen und genau bestimmen, wie groß es ist. Aber warum haben wir überhaupt ein Universum mit einem Wert ungleich Null für dunkle Energie? Warum sollte ein leerer Raum ohne alles - egal, keine Krümmung, keine Strahlung, nichts - eine positive Energie ungleich Null haben? Warum sollte es dazu führen, dass sich das Universum selbst immer positiv ausdehnt und niemals gegen Null geht? Und warum sollte diese Energiemenge, die so unglaublich klein ist, dass sie in den ersten Milliarden Jahren der Geschichte des Universums völlig unbemerkt blieb und das Universum erst zu der Zeit beherrschte, als sich die Erde bildete?

Eine Illustration einer protoplanetaren Scheibe, bei der sich zuerst Planeten und Planetesimale bilden und dabei

Es gibt viele Dinge, die wir über dunkle Energie und das Universum bemerken können, die interessant sind und auf eine Verbindung hinweisen. Es gibt viel leeren Raum und wir wissen, dass es überall Quantenfelder gibt. Es gibt keine Regionen des Universums, in die die Gravitations-, elektromagnetischen oder nuklearen Kräfte nicht gelangen können. Sie sind absolut überall. Wenn wir versuchen, den so genannten Vakuumerwartungswert (VEV) der verschiedenen Quantenfelder dort zu berechnen, können wir dies zunächst nur annähernd tun, da wir unendlich viele Terme aufschreiben können, die beliebig hoch sind . Wenn wir die Serie zu irgendeinem Zeitpunkt abschneiden, können wir die ungefähren Beiträge addieren, und wir werden sehr enttäuscht sein.

Einige Begriffe, die zur Nullpunktsenergie in der Quantenelektrodynamik beitragen. Bildnachweis: RL Jaffe, von https://arxiv.org/pdf/hep-th/0503158.pdf.

Wenn wir das nachrechnen, erhalten wir Beiträge, die ungefähr 120 Größenordnungen zu groß sind, sowohl positive als auch negative. Soweit wir das beurteilen können, heben sie sich nicht genau auf, und selbst wenn dies der Fall ist, haben wir immer noch das lästige Beobachtungsproblem, dass das Universum nicht rekollapsiert, verlangsamt oder auf eine Nullrate asymptotisiert. es beschleunigt sich wirklich. Irgendwie gibt es eine kleine, aber nicht null Energie, die dem Raum selbst innewohnt. Und diese Energie bewirkt, dass die fernen Galaxien im Universum im Laufe der Zeit ihre Rezession von uns beschleunigen, wenn auch sehr langsam.

Die vier möglichen Schicksale unseres Universums in die Zukunft; Das letzte scheint das Universum zu sein, in dem wir leben und das von dunkler Energie dominiert wird. Bildnachweis: E. Siegel / Beyond The Galaxy.

Die vielleicht größte theoretische Frage von allen ist warum? Warum beschleunigt sich das Universum? Wir haben buchstäblich keine gute Erklärung für die Ursache dieser dunklen Energie. Wir haben kürzlich die Möglichkeit untersucht, dass es sich um gefrorene Neutrinos handelt, oder es könnte ein Symptom dafür sein, dass etwas mit dem expandierenden Universum nicht stimmt. Aber es gibt noch eine andere Möglichkeit, die sehr wenig Beachtung findet und viel mehr Aufmerksamkeit erhalten sollte: Es könnte eine Eigenschaft des leeren Raums selbst sein, die durch die Anwesenheit anderer Dinge - wie Materie, die als wirksame Grenze fungiert - im Universum verursacht wird.

Und der Grund, warum dies möglich ist, ist, dass dies ein Effekt ist, von dem wir wissen, dass er existiert: der Casimir-Effekt.

Eine Darstellung des Casimir-Effekts und wie sich die Kräfte (und erlaubten / verbotenen Zustände des elektromagnetischen Feldes) auf der Außenseite der Platten von den Kräften auf der Innenseite unterscheiden. Bildnachweis: Emok / Wikimedia Commons.

Was ist die elektromagnetische Kraft des leeren Raums? Es ist natürlich nichts. Ohne Ladungen, ohne Ströme und ohne Einflussnahme ist es wirklich Null. Das ist kein Trick. Wenn Sie jedoch zwei Metallplatten in einem endlichen Abstand voneinander platzieren und dann nach der elektromagnetischen Kraft fragen, werden Sie feststellen, dass sie nicht Null ist! Aufgrund der Tatsache, dass einige der Vakuumschwankungsmodi aufgrund der Grenzen der Platten verboten sind, prognostizieren wir nicht nur eine Kraft ungleich Null zwischen diesen Platten, sondern messen sie, die sich aus nichts anderem als dem leeren Raum selbst ergibt. Wie sich herausstellt, zeigen alle Kräfte, einschließlich der Gravitationskraft, ebenfalls einen Casimir-Effekt.

Eine Karte von mehr als einer Million Galaxien im Universum, wobei jeder Punkt seine eigene Galaxie ist. Die verschiedenen Farben stehen für Entfernungen, wobei rötlicher für weiter entfernte steht. Bildnachweis: Daniel Eisenstein und die SDSS-III-Zusammenarbeit.

Was passiert also, wenn wir diesen Effekt auf das gesamte Universum anwenden und versuchen, den Effekt zu berechnen? Die Antwort ist einfach: Wir bekommen etwas, das eine Form hat, die mit dunkler Energie übereinstimmt, obwohl - wieder einmal - die Größe völlig falsch ist. Dies ist jedoch möglicherweise eine Funktion der Tatsache, dass wir nicht wissen, wie die Randbedingungen des Universums aussehen oder wie dieser Quantengravitationseffekt sehr gut berechnet werden kann. Aber es ist eine unglaubliche, gut recherchierte Möglichkeit, die in den letzten zehn Jahren viele interessante Entwicklungen aufweist.

Die 3D-Rekonstruktion von 120.000 Galaxien und ihre Clustering-Eigenschaften wurden aus ihrer Rotverschiebung und großräumigen Strukturbildung abgeleitet. Bildnachweis: Jeremy Tinker und die SDSS-III-Zusammenarbeit.

Die Abbildung des Universums könnte sich als einfacher Teil herausstellen. Vielleicht wird es kein beobachtender oder experimenteller Durchbruch sein, der uns dazu bringt, die Dunkle Energie zu verstehen, die schwer fassbare Kraft im Universum. Vielleicht ist es eine theoretische, die benötigt wird. Und vielleicht hängt es mit der Spurenanomalie zusammen, vielleicht ist es eine dynamische Größe, die sich im Laufe der Zeit geändert hat, und vielleicht ist es sogar ein Zeichen für zusätzliche Dimensionen. Das Universum ist da draußen und wir haben dieses am schwierigsten zu erklärende Geheimnis erst kürzlich aufgedeckt. Vielleicht liegt die Lösung, wenn wir vorsichtig sind, in der Physik, die wir bereits kennen.

Starts With A Bang ist jetzt auf Forbes und dank unserer Patreon-Unterstützer auf Medium neu veröffentlicht. Ethan hat zwei Bücher verfasst, Beyond The Galaxy und Treknology: Die Wissenschaft von Star Trek von Tricorders bis Warp Drive.