{"id":1083,"date":"2023-01-26T11:39:26","date_gmt":"2023-01-26T11:39:26","guid":{"rendered":"https:\/\/website.prod.unilu.spikeseed.cloud\/de\/news\/ein-neuer-ansatz-zur-loesung-des-raetsels-um-die-dunkle-energie\/"},"modified":"2023-01-26T11:39:26","modified_gmt":"2023-01-26T11:39:26","slug":"ein-neuer-ansatz-zur-loesung-des-raetsels-um-die-dunkle-energie","status":"publish","type":"news","link":"https:\/\/www.uni.lu\/de\/news\/ein-neuer-ansatz-zur-loesung-des-raetsels-um-die-dunkle-energie\/","title":{"rendered":"Ein neuer Ansatz zur L\u00f6sung des R\u00e4tsels um die Dunkle Energie"},"content":{"rendered":"

Was steckt hinter der Dunklen Energie \u2013 und was verbindet sie mit der von Albert Einstein eingef\u00fchrten kosmologischen Konstanten? Zwei Physiker der Universit\u00e4t Luxemburg weisen einen Weg, um diese offenen Fragen der Physik zu beantworten.<\/p>

Das Universum hat etliche bizarre Eigenschaften, die mit dem allt\u00e4glichen Erfahrungsschatz nur schwer zu verstehen sind. So macht die uns bekannte Materie aus elementaren und zusammengesetzten Teilchen, die Molek\u00fcle und Werkstoffe bilden, offenbar nur einen kleinen Teil der Energie des Weltalls aus. Den gr\u00f6\u00dften Beitrag liefert mit rund zwei Dritteln die \u201eDunkle Energie\u201c \u2013 eine hypothetische Energieform, \u00fcber deren Herkunft die Physiker noch im Dunkeln tappen. Au\u00dferdem dehnt sich das Weltall nicht nur stetig aus, sondern das geschieht auch in immer schnellerem Tempo. Beide Merkmale scheinen zusammenzuh\u00e4ngen, denn die Dunkle Energie gilt auch als Treiber der beschleunigten Expansion. Dar\u00fcber hinaus k\u00f6nnte sie zwei m\u00e4chtige physikalische Denkgeb\u00e4ude verbinden: die Quantenfeldtheorie und die von Albert Einstein entwickelte Allgemeine Relativit\u00e4tstheorie. Doch die Sache hat einen Haken: Berechnungen und Beobachtungen zu diesem Konzept passten bislang bei Weitem nicht zusammen. Nun haben zwei Forscher aus Luxemburg einen neuen Weg aufgezeigt, wie sich dieses 100 Jahre alte R\u00e4tsel l\u00f6sen l\u00e4sst \u2013 in einer Arbeit, die im Fachmagazin Physical Review Letters<\/i> ver\u00f6ffentlicht wurde.<\/p>\n

\nDie Spur virtueller Teilchen im Vakuum<\/h3>\n

\u201eDas Vakuum besitzt eine Energie. Das ist ein grundlegendes Ergebnis der Quantenfeldtheorie\u201c, erkl\u00e4rt Prof. Dr. Alexandre Tkatchenko<\/a>, Professor f\u00fcr Theoretische Physik im Fachbereich Physik und Materialwissenschaften<\/a> an der Universit\u00e4t Luxemburg. Diese Theorie wurde entwickelt, um Quantenmechanik und Spezielle Relativit\u00e4tstheorie zusammenzuf\u00fchren. Doch die Quantenfeldtheorie scheint nicht mit der Allgemeinen Relativit\u00e4tstheorie kompatibel zu sein. Ihr wesentliches Merkmal: Die Theorie betrachtet im Gegensatz zur Quantenmechanik nicht nur Teilchen, sondern auch materielose Felder als Quantenobjekte. \u201eDie Dunkle Energie betrachten viele Forscher in diesem Rahmen als Ausdruck der sogenannten Vakuumenergie\u201c, sagt Tkatchenko: einer physikalischen Gr\u00f6\u00dfe, die in einem anschaulichen Bild durch ein st\u00e4ndiges Entstehen und die Wechselwirkung von Paaren aus Teilchen und ihren Antiteilchen \u2013 etwa Elektronen und Positronen \u2013 im eigentlich leeren Raum hervorgerufen wird.<\/p>

Physiker sprechen bei diesem Kommen und Gehen virtueller Teilchen und ihrer Quantenfelder von Vakuum- oder Nullpunktfluktuationen. W\u00e4hrend die Partikelpaare rasch wieder im Nichts vergehen, l\u00e4sst ihre Existenz einen gewissen Gehalt an Energie zur\u00fcck. \u201eDiese Vakuumenergie hat auch in der Allgemeinen Relativit\u00e4tstheorie eine Bedeutung\u201c, stellt der Luxemburger Wissenschaftler fest: \u201eSie manifestiert sich in der von Einstein aus physikalischen Gr\u00fcnden in seine Gleichungen eingef\u00fcgten kosmologischen Konstante.\u201c<\/p>\n

\nEin kolossales Missverh\u00e4ltnis<\/h3>\n

Anders als die Vakuumenergie, die sich nur aus den Formeln der Quantenfeldtheorie erschlie\u00dft, l\u00e4sst sich die kosmologische Konstante durch astrophysikalische Experimente direkt bestimmen. So haben Messungen mit dem Weltraumteleskop Hubble und der Raumfahrtmission Planck nahe beieinander liegende und verl\u00e4ssliche Werte f\u00fcr die fundamentalen physikalische Gr\u00f6\u00dfe ergeben. Berechnungen der Dunklen Energie auf Basis der Quantenfeldtheorie hingegen liefern Resultate, die einem bis zu 10120<\/sup>-mal so gro\u00dfen Wert der kosmologischen Konstanten entsprechen \u2013 ein kolossales Missverh\u00e4ltnis, obwohl im heute vorherrschenden Weltbild der Physiker beide Werte gleich sein m\u00fcssten. Die stattdessen festgestellte Diskrepanz ist bekannt als das \u201eR\u00e4tsel der kosmologischen Konstante\u201c. \u201eEs ist zweifellos eine der gr\u00f6\u00dften Ungereimtheiten in der modernen Wissenschaft\u201c, meint Alexandre Tkatchenko.<\/p>\n

\nUnkonventionelle Art der Interpretation<\/h3>\n

Gemeinsam mit seinem Luxemburger Forscherkollegen Dr. Dmitry Fedorov<\/a> hat er nun die L\u00f6sung dieses seit Jahrzehnten offenen R\u00e4tsels ein bedeutendes St\u00fcck n\u00e4hergebracht. In einer theoretischen Arbeit, deren Ergebnisse sie nun in Physical Review Letters ver\u00f6ffentlicht haben, schlagen die beiden Luxemburger Forscher eine neue Interpretation der Dunklen Energie vor. Sie gehen davon aus, dass die Nullpunktfluktuationen eine Polarisierbarkeit des Vakuums bewirken, die sich sowohl messen als auch berechnen l\u00e4sst. \u201eBei Paaren von virtuellen Teilchen mit entgegengesetzter elektrischer Ladung entsteht sie durch elektrodynamische Kr\u00e4fte, die diese Partikel w\u00e4hrend ihrer \u00e4u\u00dferst kurzen Existenz gegenseitig aufeinander aus\u00fcben\u201c, erkl\u00e4rt Tkatchenko. Die Physiker sprechen dabei von einer Vakuum-Selbstwechselwirkung. \u201eDiese f\u00fchrt zu einer Energiedichte, die sich mithilfe eines neuen Modells bestimmen l\u00e4sst\u201c, sagt der Luxemburger Wissenschaftler.<\/p>

Gemeinsam mit seinem Kollegen Fedorov hat er dieses grundlegende Modell f\u00fcr Atome entwickelt und 2018 erstmals vorgestellt. Das Modell diente urspr\u00fcnglich zur Beschreibung atomarer Eigenschaften. Dazu geh\u00f6rt insbesondere die Beschreibung des Zusammenhangs der Polarisierbarkeit von Atomen mit den Gleichgewichtseigenschaften bestimmter Molek\u00fcle sowie Festk\u00f6rper, wo die Atome nicht kovalent gebunden sind. Da die geometrischen Charakteristiken experimentell recht einfach messbar sind, l\u00e4sst sich \u00fcber die Formel der beiden Forscher auch die Polarisierbarkeit bestimmen. \u201eDieses Vorgehen haben wir auf die Vorg\u00e4nge im Vakuum \u00fcbertragen\u201c, erl\u00e4utert Fedorov. Dazu betrachteten die beiden Forscher das Verhalten von Quantenfeldern \u2013 insbesondere solchen, die das \u201eEntstehen und Verschwinden\u201c von Elektronen und Positronen repr\u00e4sentieren. Die Fluktuationen dieser Felder lassen sich durch eine Gleichgewichtsgeometrie kennzeichnen, die bereits aus Experimenten bekannt ist. \u201eWir haben diese Geometrien in die Formeln unseres Modells eingesetzt und erhielten auf diese Weise letztlich die St\u00e4rke der intrinsischen Vakuum-Polarisation\u201c, berichtet Fedorov. Der letzte Schritt war es, die Energiedichte der Selbstwechselwirkung zwischen Fluktuationen von Elektronen und Positronen quantenmechanisch zu berechnen. Das so erhaltene Resultat stimmt gut mit den gemessenen Werten f\u00fcr die kosmologische Konstante \u00fcberein: Das bedeutet: \u201eDie Dunkle Energie l\u00e4sst sich auf die Energiedichte der Selbstwechselwirkung von Quantenfeldern zur\u00fcckf\u00fchren\u201c, betont Alexandre Tkatchenko.<\/p>\n

\nGute \u00dcbereinstimmung und \u00fcberpr\u00fcfbare Prognosen<\/h3>\n

\u201eUnsere Arbeit bietet damit einen eleganten und unkonventionellen L\u00f6sungsansatz f\u00fcr das R\u00e4tsel der kosmologischen Konstante\u201c, res\u00fcmieren die Physiker. \u201eDar\u00fcber hinaus liefert sie eine \u00fcberpr\u00fcfbare Vorhersage: n\u00e4mlich, dass Quantenfelder tats\u00e4chlich genauso wie Elektronen und Positronen eine zwar kleine, aber stets vorhandene intrinsische Polarisation besitzen.\u201c Diese Erkenntnis weist eine Richtung f\u00fcr k\u00fcnftige Experimente, um diese Polarisation auch im Labor nachweisen zu k\u00f6nnen, meinen die beiden Luxemburger Forscher. \u201eUnser Ziel ist es, die kosmologische Konstante aus einem rigorosen quantentheoretischen Ansatz heraus abzuleiten\u201c, betont Dmitry Fedorov. \u201cZudem enth\u00e4lt unsere Arbeit ein Rezept, wie sich das verwirklichen l\u00e4sst.\u201c Fedorov betrachtet die neuen Ergebnisse, die er gemeinsam mit Alexandre Tkatchenko erzielt hat, als ersten Schritt hin zu einem besseren Verst\u00e4ndnis der Dunklen Energie \u2013 und ihrer Verbindung zu Albert Einsteins kosmologischer Konstante. Tkatchenko ist \u00fcberzeugt: \u201eLetztlich k\u00f6nnte das auch erhellen, auf welche Weise Quantenfeldtheorie und Allgemeine Reaktivit\u00e4tstheorie als zwei Betrachtungsweisen des Universums und seiner Bestandteile miteinander verwoben sind.\u201c<\/p>

Den ganzen Artikel im Fachmagazin Physical Review Letters <\/i>lesen:\u00a0Casimir Self-Interaction Energy Density of Quantum Electrodynamic Fields<\/a><\/p>\n

\nFoto: Kosmischer Mikrowellenhintergrund, gesehen von Planck \u00a9 European Space Agency<\/h5>\n<\/div><\/section>","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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