Neue Hypothese verknüpft zwei große Physik-Rätsel: die dunkle Energie und die Quantengravitation

Dieser Hypothese zufolge könnte die dunkle Energie eine natürliche Auswirkung der Quantengravitation sein, die auf die Geometrie der Raumzeit selbst einwirkt.

Eine neue wissenschaftliche Arbeit schlägt einen Ansatz vor, wie Quantengravitation und dunkle Energie in einem einheitlichen Erklärungsmodell für die Dynamik des Universums miteinander verknüpft werden können. Bildquelle: UC Santa Barbara

Die Quantengravitation und die dunkle Energie gehören zu den größten ungelösten Problemen der Physik. Erstere versucht, die Gravitation zu beschreiben, wenn Quanteneffekte eine Rolle spielen, während Letztere die Bezeichnung für die Komponente ist, die vermutlich für die beschleunigte Expansion des Universums verantwortlich ist.

Die Herausforderung liegt auch in dem enormen Unterschied zwischen den beteiligten Maßstäben: Quanteneffekte der Gravitation treten typischerweise auf mikroskopischen Maßstäben auf, während sich die dunkle Energie auf kosmologischen Maßstäben manifestiert. Daher wäre normalerweise kein direkter Zusammenhang zwischen den beiden Phänomenen zu erwarten.

Die in Physical Review D veröffentlichte Arbeit schlägt eine Quantenunsicherheitsrelation vor, die auf den Skalenfaktor des Universums angewendet wird. In diesem Modell erscheint die kosmische Beschleunigung als makroskopische Manifestation von Effekten der Quantengravitation, ohne dass ein neues Teilchen oder Feld der dunklen Energie erforderlich wäre.

Dunkle Energie

Als „Dunkle Energie“ wird die unbekannte Komponente bezeichnet, die mit der beschleunigten Expansion des Universums in Verbindung gebracht wird. Ihre Natur ist noch nicht geklärt, doch im Standardmodell der Kosmologie macht sie etwa 68 % des Energiegehalts des Kosmos aus. Die Dunkle Energie wird mit einer abstoßenden Wirkung auf kosmologischen Skalen in Verbindung gebracht.

Die einfachste Erklärung ist die kosmologische Konstante Λ, die als eine annähernd zeitunabhängige Energiedichte des Vakuums selbst interpretiert wird.

Zu den weiteren Möglichkeiten zählen jedoch auch dynamische Felder oder sogar Modifikationen der allgemeinen Relativitätstheorie auf großen Skalen. Die Klärung der Frage, welche dieser Hypothesen die kosmische Beschleunigung korrekt beschreibt, ist eine der wichtigsten offenen Fragen der modernen Kosmologie.

Quantengravitation

Die Quantengravitation versucht, die Gravitation in Bereichen zu beschreiben, in denen die Effekte der Quantenmechanik nicht vernachlässigt werden können. Die allgemeine Relativitätstheorie betrachtet die Gravitation als kontinuierliche Krümmung der Raumzeit, während die Quantentheorie Materie und andere Wechselwirkungen anhand von Quantenfeldern und -zuständen beschreibt.

Dieses Problem gewinnt unter extremen Bedingungen besondere Bedeutung, beispielsweise in der Nähe von Singularitäten schwarzer Löcher und im frühen Universum, wo die allgemeine Relativitätstheorie und die Quantenmechanik für sich genommen keine vollständige Beschreibung liefern.

Wie könnten diese beiden Dinge miteinander zusammenhängen?

Der neu vorgeschlagene Zusammenhang ergibt sich aus der Anwendung des Quanten-Unschärfeprinzips auf die Entwicklung des Universums selbst. Die Studie untersucht die Möglichkeit, dass es möglicherweise nicht möglich ist, gleichzeitig die Größe des Universums und seine Expansionsrate zu bestimmen, und dass diese Unschärfe die Gleichungen, die die kosmologische Dynamik beschreiben, verändern könnte.

Der Vorschlag deutet zudem darauf hin, dass diese Quanteneffekte unsere Beschreibung des Urknalls verändern könnten. Der Formulierung zufolge könnte das Universum eine Phase der Kontraktion durchlaufen haben. Dunkle Energie wäre somit kein neues Teilchen oder Feld, sondern vielmehr eine makroskopische Manifestation der Quantenstruktur der Raumzeit selbst.

Sehr unterschiedliche Größenordnungen

Ein Teil der Schwierigkeit, die Quantengravitation mit der dunklen Energie in Verbindung zu bringen, liegt in dem enormen Unterschied zwischen den Skalen, auf denen ihre Auswirkungen normalerweise untersucht werden. Die Quantenmechanik beschreibt Phänomene auf subatomarer Ebene, während die Gravitation die Dynamik kosmologischer Strukturen bestimmt.

Sollte sich diese Theorie als richtig erweisen, könnte sie unser Verständnis der Beschleunigung des Universums und sogar der Entstehung und Entwicklung des Kosmos im Laufe der Zeit verändern. Bildquelle: NASA

Beide Theorien wurden in ihren jeweiligen Bereichen genauen Tests unterzogen, doch es ist uns bislang noch nicht gelungen, Bedingungen zu reproduzieren, unter denen extreme Quanten- und Gravitationseffekte gleichzeitig wirken. Bereiche wie das Innere von Schwarzen Löchern oder die allerersten Augenblicke des Universums liegen nach wie vor außerhalb der Reichweite aktueller Experimente.

Artikelreferenz

Koushiappas. (2026). Cosmological uncertainty relation and late-universe acceleration.