Physiker haben eine neue Erklärung für dunkle Energie vorgeschlagen. Es kann Einblicke in die gegenseitige Abhängigkeit zwischen Quantenfeldtheorie und allgemeiner Relativitätstheorie als zwei Perspektiven des Universums und seiner Elemente geben.

Was steckt hinter dunkler Energie – und was verbindet sie mit der von Albert Einstein eingeführten kosmologischen Konstante? Zwei Physiker der Universität Luxemburg zeigen einen Weg auf, diese offenen Fragen der Physik zu beantworten.

Das Universum hat eine Reihe seltsamer Eigenschaften, die durch alltägliche Erfahrungen schwer zu verstehen sind. Beispielsweise macht die Materie, wie wir sie kennen, die aus elementaren und zusammengesetzten Molekülen zusammengesetzt ist, um Moleküle und Materie aufzubauen, anscheinend nur einen kleinen Teil der Energie des Universums aus. Der größte Beitrag, etwa zwei Drittel, kommt vondunkle Energie– eine hypothetische Energieform, über deren Hintergrund Physiker noch immer rätseln.Außerdem dehnt sich das Universum nicht nur stetig, sondern auch immer schneller aus.

Es scheint, dass beide Eigenschaften zusammenhängen, denn dunkle Energie Es gilt auch als Treiber der beschleunigten Expansion. Darüber hinaus kann es zwei mächtige Denkrichtungen der Physik vereinen: die Quantenfeldtheorie und die von Albert Einstein entwickelte Allgemeine Relativitätstheorie. Aber es gibt einen Haken: Die Konten und Notizen sind bei weitem nicht identisch. Zwei luxemburgische Forscher zeigen in einem von der Zeitschrift veröffentlichten Forschungsbericht einen neuen Weg, um dieses 100 Jahre alte Rätsel zu lösen Physische Überprüfungsschreiben.

Die Wirkung virtueller Teilchen im Vakuum

„Vakuum hat Energie. Das ist ein grundlegendes Ergebnis der Quantenfeldtheorie“, erklärt Professor Alexander Tkachenko, Professor für Theoretische Physik im Fachbereich Physik und Materialwissenschaften an Universität Luxemburg. Diese Theorie wurde entwickelt, um Quantenmechanik und spezielle Relativitätstheorie zu kombinieren, aber die Quantenfeldtheorie scheint mit der allgemeinen Relativitätstheorie unvereinbar zu sein. Ihr größter Vorteil: Anders als die Quantenmechanik betrachtet die Theorie nicht nur Teilchen, sondern auch materieleere Kugeln als Quantenobjekte.

„In diesem Rahmen betrachten viele Forscher dunkle Energie als Ausdruck dessen, was Vakuumenergie genannt wird“, sagt Tkatchenko, eine physikalische Größe, die in lebendiger Form aus dem Auftreten und der kontinuierlichen Wechselwirkung von Teilchenpaaren und ihren Antiteilchen resultiert – wie z als Elektronen und Positronen – in dem, was in Wirklichkeit Leerer Raum ist.

Plancks kosmischer Mikrowellenhintergrund. Bildnachweis: ESA und Planck Collaboration

Physiker sprechen vom Kommen und Gehen virtueller Teilchen und ihrer Quantenfelder als Schwankungen im Vakuum oder Nullpunkt. Da Teilchenpaare schnell wieder ins Nichts verschwinden, hinterlässt ihre Anwesenheit eine gewisse Menge an Energie.

Der Luxemburger Wissenschaftler merkt an, dass „diese Vakuumenergie auch in der Allgemeinen Relativitätstheorie eine Bedeutung hat“: „Sie manifestiert sich in der kosmologischen Konstante, die Einstein aus physikalischen Gründen in seine Gleichungen aufgenommen hat.“

Massive Fehlanpassung

Anders als die Energie eines Vakuums, die nur aus den Gleichungen der Quantenfeldtheorie abgeleitet werden kann, lässt sich die kosmologische Konstante direkt durch astrophysikalische Experimente bestimmen. Messungen mit dem Hubble-Weltraumteleskop und der Planck-Weltraummission haben nahe und zuverlässige Werte für die fundamentale physikalische Größe ergeben. Andererseits führen Dunkelenergieberechnungen auf der Grundlage der Quantenfeldtheorie zu Ergebnissen, die mit dem Wert der kosmologischen Konstante von 10 übereinstimmen¹²⁰ mal größer – eine kolossale Diskrepanz, obwohl nach der heute vorherrschenden Ansicht der Physiker beide Werte gleich sein müssten. Der bestehende Widerspruch ist stattdessen als „Rätsel der kosmologischen Konstante“ bekannt.

„Das ist ohne Zweifel einer der größten Widersprüche in der modernen Wissenschaft“, sagt Alexander Tkachenko.

Unkonventionelle Art der Interpretation

Gemeinsam mit seinem luxemburgischen Forscherkollegen Dr. Dmitry Fedorov ist er der Lösung dieses seit Jahrzehnten offenen Rätsels nun einen wichtigen Schritt näher gekommen. In einer theoretischen Arbeit veröffentlichten sie kürzlich ihre Ergebnisse in Physische ÜberprüfungsschreibenDie beiden Forscher in Luxemburg schlugen eine neue Erklärung für dunkle Energie vor. Es wird angenommen, dass Nullpunktschwankungen zu einer Vakuumpolarisation führen, die gemessen und berechnet werden kann.

„In Paaren virtueller Teilchen mit entgegengesetzter elektrischer Ladung entstehen sie durch die elektrodynamischen Kräfte, die diese Teilchen während ihrer sehr kurzen Existenzzeit aufeinander ausüben“, erklärt Tkachenko. Physiker bezeichnen dies als selbstwechselwirkendes Vakuum. „Das führt zu einer Energiedichte, die mit Hilfe eines neuen Modells bestimmt werden kann“, sagt Wissenschaftler Luxembourg.

Gemeinsam mit dem Forschungskollegen Fedorov haben sie vor einigen Jahren das grundlegende Modell der Atome entwickelt und 2018 erstmals präsentiert. Das Modell diente ursprünglich zur Beschreibung atomarer Eigenschaften, insbesondere des Zusammenhangs zwischen den Polarisationen von Atomen und den Gleichgewichtseigenschaften von einigen nicht kovalent gebundenen Molekülen und Feststoffen. Da es sehr einfach ist, geometrische Eigenschaften experimentell zu messen, kann die Polarisation auch durch ihre Formel bestimmt werden.

„Wir haben dieses Verfahren auf Operationen im Vakuum übertragen“, erklärt Fedorov. Dazu untersuchten die beiden Forscher das Verhalten von Quantendomänen, insbesondere die Darstellung des „Kommens und Gehens“ von Elektronen und Positronen. Auch Schwankungen dieser Felder lassen sich durch eine bereits aus Experimenten bekannte Gleichgewichtsgeometrie charakterisieren. „Wir haben es in die Formeln unseres Modells eingefügt und so schließlich die Polarisationskraft der inneren Leere erhalten“, sagt Fedorov.

Der letzte Schritt bestand dann darin, die Energiedichte der Selbstwechselwirkung zwischen Fluktuationen von Elektronen und Positronen mechanisch zu berechnen. Das so erhaltene Ergebnis stimmt gut mit den gemessenen Werten der kosmologischen Konstante überein. Das bedeutet: „Dunkle Energie lässt sich auf die Energiedichte der Selbstwechselwirkung von Quantenfeldern zurückführen“, behauptet Alexander Tkachenko.

Konsistente Werte und überprüfbare Erwartungen

„Unsere Arbeit bietet damit einen eleganten und unkonventionellen Ansatz, um das Rätsel der kosmologischen Konstante zu lösen“, schließt der Physiker. „Außerdem liefert es eine überprüfbare Vorhersage: nämlich, dass Quantenfelder wie die von Elektronen und Positronen tatsächlich eine kleine, aber allgegenwärtige intrinsische Polarisation besitzen.“

Die beiden Luxemburger Forscher merken an, dass dieser Befund den Weg für zukünftige Experimente weist, um diese Polarisierung auch im Labor nachzuweisen. „Unser Ziel ist es, die kosmologische Konstante aus einem rigorosen quantentheoretischen Ansatz abzuleiten“, erklärt Dmitry Fedorov. „Und unsere Arbeit beinhaltet ein Rezept, wie man das realisieren kann.“

Er sieht die neuen Ergebnisse mit Alexander Tkachenko als ersten Schritt zu einem besseren Verständnis der Dunklen Energie – und ihrer Beziehung zur kosmologischen Konstante von Albert Einstein.

Abschließend ist Tkatchenko überzeugt: „Letztendlich kann dies auch Aufschluss darüber geben, wie Quantenfeldtheorie und Allgemeine Relativitätstheorie als zwei Betrachtungsweisen des Universums und seiner Bestandteile ineinandergreifen.“

Referenz: „Casimir Self-Interaction Energy Density in Quantum Electrodynamic Fields“ von Aleksandr Tkachenko und Dmitry Fedorov, 24. Januar 2023, hier verfügbar. Physische Überprüfungsschreiben.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.041601