Was steckt hinter dunkler Energie – und was verbindet sie mit der von Albert Einstein eingeführten kosmologischen Konstante? Zwei Physiker der Universität Luxemburg weisen den Weg zur Beantwortung dieser offenen Fragen der Physik.
Das Universum hat eine Reihe bizarrer Eigenschaften, die mit alltäglicher Erfahrung schwer zu verstehen sind. Beispielsweise macht die uns bekannte Materie, bestehend aus Atomen und Molekülen und anderen Teilchen, offenbar nur einen kleinen Teil der Energiedichte des Universums aus. Der größte Beitrag, mehr als zwei Drittel, stammt von der „dunklen Energie“ – einer hypothetischen Energieform, über deren Hintergrund Physiker noch rätseln.
Außerdem dehnt sich das Universum nicht nur stetig, sondern auch immer schneller aus. Beide Eigenschaften scheinen miteinander verbunden zu sein, denn auch Dunkle Energie gilt als Treiber beschleunigter Expansion. Darüber hinaus könnte es zwei mächtige physikalische Denkschulen wiedervereinigen: die Quantenfeldtheorie und die von Albert Einstein entwickelte Allgemeine Relativitätstheorie. Doch die Sache hat einen Haken: Berechnungen und Beobachtungen stimmen bisher bei weitem nicht überein. Nun haben zwei Forscher aus Luxemburg in einem von veröffentlichten Artikel einen Weg aufgezeigt, dieses 100 Jahre alte Rätsel zu lösen Briefe zur körperlichen Überprüfung.
Die Spur virtueller Teilchen im Vakuum
„Dunkle Energie entsteht aus den Formeln der Quantenfeldtheorie“, erklärt Prof. Alexandre Tkatchenko, Professor für Theoretische Festkörperphysik am Institut für Physik und Materialwissenschaften der Universität Luxemburg. Diese Theorie wurde entwickelt, um die Quantenmechanik und die allgemeine Relativitätstheorie zusammenzubringen, die in grundlegenden Aspekten unvereinbar sind.
Ihr wesentliches Merkmal: Im Gegensatz zur Quantenmechanik betrachtet die Theorie nicht nur Teilchen, sondern auch materiallose Felder als Quantenobjekte. „In diesem Zusammenhang betrachten viele Forscher dunkle Energie als Ausdruck der sogenannten Vakuumenergie“, sagt Tkatchenko: eine physikalische Größe, die in einem anschaulichen Bild durch ein ständiges Auftauchen von Paaren von Teilchen und ihren Antiteilchen – wie z als Elektronen und Positronen – im eigentlich leeren Raum.
Physiker sprechen von diesem Kommen und Gehen virtueller Teilchen und ihrer Quantenfelder als Vakuum- oder Nullpunktsschwankungen. Während die Teilchenpaare sofort wieder ins Nichts verschwinden, hinterlassen sie eine gewisse Energie. „Diese Vakuumenergie hat auch eine Bedeutung in der Allgemeinen Relativitätstheorie“, stellt der Luxemburger Wissenschaftler fest. „Sie manifestiert sich in der kosmologischen Konstante, die Einstein aus mathematischen Gründen in seine Gleichungen eingesetzt hat.“
Ein kolossales Missverhältnis
Im Gegensatz zur Dunklen Energie, die nur aus den Formeln 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.
Berechnungen der Dunklen Energie auf Basis der Quantenfeldtheorie hingegen liefern Ergebnisse, die einem bis zu 10120 mal größeren Wert der kosmologischen Konstante entsprechen – eine kolossale Diskrepanz – obwohl im heute vorherrschenden Weltbild der Physiker, beide Werte sollten gleich sein. Die stattdessen gefundene Diskrepanz ist als „Rätsel der kosmologischen Konstante“ bekannt. „Das ist zweifellos eine der größten Ungereimtheiten in der modernen Wissenschaft“, sagt Alexandre Tkatchenko.
Unkonventionelle Art der Interpretation
Gemeinsam mit seinem luxemburgischen Forschungskollegen Dr. Dimitry Fedorov ist er der Lösung dieses seit Jahrzehnten offenen Rätsels nun einen entscheidenden Schritt näher gekommen. In einer theoretischen Arbeit, deren Ergebnisse sie kürzlich veröffentlichten, schlagen die beiden Luxemburger Forscher eine neue Interpretation der Dunklen Energie vor. Sie geht davon aus, dass die Nullpunktsschwankungen zu einer Polarisierbarkeit des Vakuums führen, die sowohl gemessen als auch berechnet werden kann.
„Bei virtuellen Teilchenpaaren mit elektrischer Ladung entsteht sie durch elektrodynamische Kräfte, die diese Teilchen während ihrer extrem kurzen Existenz aufeinander ausüben“, erklärt Tkatchenko. Die Physiker sprechen von einer Selbstwechselwirkung, die Polarisierbarkeit in solchen Teilchen ein Merkmal der Reaktion darauf. „Das führt zu einer Energiedichte, die mit Hilfe eines neuen Modells bestimmt werden kann“, sagt der Luxemburger Wissenschaftler.
Zusammen mit seinem Forschungskollegen Fedorov hat er dieses Modell entwickelt und 2018 erstmals vorgestellt, das ursprünglich zur Beschreibung atomarer Eigenschaften etwa in Festkörpern diente. Da die geometrischen Eigenschaften experimentell recht einfach zu messen sind, kann über diese Umlenkungen auch die Polarisierbarkeit bestimmt werden.
„Wir haben dieses Verfahren auf die Prozesse im Vakuum übertragen“, erklärt Fedorov. Dazu untersuchten die beiden Forscher das Verhalten von Elektronen und Positronen, die sie nach den Prinzipien der Quantenfeldtheorie als Felder behandelten. Die Schwankungen dieser Felder lassen sich auch durch eine Gleichgewichtsgeometrie charakterisieren, deren Wert bereits aus Experimenten bekannt ist.
„Wir haben es in die Formeln unseres Modells eingebaut und so letztendlich die Stärke der Polarisation des Vakuums erhalten“, berichtet Fedorov. Im letzten Schritt wurde dann quantenmechanisch die Energiedichte der Selbstwechselwirkung zwischen den Elektronen und Positronen berechnet. Das so gewonnene Ergebnis stimmt gut mit den Messwerten für die kosmologische Konstante überein: Das bedeutet: „Dunkle Energie lässt sich auf die Energiedichte der Selbstwechselwirkung von Quantenfeldern zurückführen“, betont Alexandre Tkatchenko.
Konsistente Werte und überprüfbare Prognosen
„Unsere Arbeit bietet damit einen eleganten und unkonventionellen Ansatz, das Rätsel der kosmologischen Konstante zu lösen“, resümiert der Physiker. „Außerdem liefert es eine überprüfbare Vorhersage: nämlich, dass Quantenfelder wie die von Elektronen und Positronen tatsächlich eine kleine, aber allgegenwärtige Polarisation besitzen.“
Dieser Befund weist den Weg für künftige Experimente, diese Polarisation auch im Labor nachzuweisen, sagen die beiden Luxemburger Forscher, die ihr Modell nun auf andere Teilchen-Antiteilchen-Paare anwenden wollen. „Unsere konzeptionelle Idee sollte auf alle Bereiche anwendbar sein“, betont Alexandre Tkatchenko. Die gemeinsam mit Dimitry Fedorov erzielten neuen Ergebnisse sieht er als ersten Schritt zu einem besseren Verständnis der Dunklen Energie – und ihrer Verbindung zur kosmologischen Konstante von Albert Einstein.
Tkatchenko ist überzeugt: „Am Ende wird dies auch Aufschluss darüber geben, wie die Quantenfeldtheorie und die allgemeine Reaktivitätstheorie als zwei Betrachtungsweisen des Universums und seiner Bestandteile miteinander verwoben sind.“
Mehr Informationen:
Alexandre Tkatchenko et al, Casimir Self-Interaction Energy Density of Quantum Electrodynamic Fields, Briefe zur körperlichen Überprüfung (2023). DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.041601