Interessantes zu Theoretischer Physik

Standardkosmologie, Unzicker, Theorie Dunkler Materie, Quantenfluktuation, Dunkle Energie

Was lässt sich über Dunkle Materie sagen?

Das Wort Dunkle Materie steht für eine Gravitationsquelle, deren Natur wir noch nicht kennen.

Über dieses Statement hinaus gibt es nur Vermutungen – aber nichts Belegbares. Selbst die Annahme, dass es sich um Materieteilchen handeln müsse, die keine Photonen aussenden, ist bisher durch nichts beweisbar.

Der Wissenschaftskritiker Alexander Unzicker schreibt (auf Seite 162 seines Buches Auf dem Holzweg durchs Universum — Warum die Physik sich verlaufen hat):


Unzicker schreibt weiter:


Aber sei das nun wie es sei: Bis heute kann uns niemand sagen, was genau » Dunkle Materie « denn wirklich ist — Vermutungen mal ausgenommen —, und so steht dieses Wort ja eben doch nur für die Tatsache, dass man mehr Wirkung von Gravitations­kraft beobachtet als sichtbare Materie auf Basis
von Ein­steins Gravitations­theorie sie erklären kann. Was also verursacht jene — heute auf 3 Wegen offenbar schon gut quantifizierte — zusätzliche Gravitation, wenn wir davon ausgehen, dass Newtons Formel und Einsteins Theorie auf kosmischer Skala sehr genau sind?

Nach Lisa Randall (2015) gilt:

Obgleich wir sicher sind, dass es sie gibt, wissen wir bisher nicht, was Dunkle Materie denn eigentlich ist. Was wir über sie wissen, erschöpft sich in folgenden Aussagen:
 
  • Wir kennen ihre durchschnittliche Energiedichte im Kosmos (ableitbar aus der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung),
  • wir kennen ihre Dichte in unserer Nähe (ableitbar aus der Geschwindigkeit der um das Zentrum der Milchstraße kreisenden Sterne),
  • und wir wissen, dass Dunkle Materie "kalt" ist, d.h. sich deutlich langsamer als Licht bewegt (dies ergibt sich aus der Beobachtung wenig ausgedehnter Strukturen im Kosmos).
  • Sie scheint weder mit gewöhnlicher Materie noch mit sich selbst zu interagieren und trägt keine elektrische Ladung (letzteres zeigen Ergebnisse der Vermessung der Form des Bullet-Haufens).
     
  • Merkwürdig ist: Trotzdem viele Galaxien flache, rotierende Scheiben darstellen, sind auch sie eingebettet in einen kugelförmigen Halo aus Dunkler Materie. Was genau kann das bedeuten?

    [Es müsste doch eigentlich mindestens bedeuten, dass Dunkle Materie nicht aus MACHOs bestehen kann, d.h. aus nicht strahlenden Objekten gewöhnlicher Materie (wie etwa Neutronensternen und Braunen Zwergen). Warum hat diesen Schluss bisher niemand gezogen?]

Nicht ganz ausschließen wollte man zunächst, dass Dunkle Materie aus den Resten noch nicht vollständig ver­dampf­ter primordaler Schwarzer Löcher bestehen könnte. Das aber sei inzwischen (2024) als nicht möglich erkannt worden.

Schwarze Löcher mit einen Schwarzschild-Radius von nur 10-13 Zentimetern hätten immerhin schon eine Masse von 1 Milliarde Tonnen [SL].

Andererseits: Was gegen MACHOs spricht (s.o.), spricht natürlich auch gegen Schwarze Löcher.


Kann man sich nicht auch fragen:

J e d e  Ansammlung von Energie — keineswegs nur Materie — erzeugt Gravitationspotential. Warum also nicht auch virtuelle Materie? Sie besteht aus extrem kurzlebigen Elementarteilchen, die paar­weise durch Quantenfluktuation entstehen, aber eben  n i c h t  beobachtbar sind: Sie existieren ja nur allzu kurz, um Licht abzustrahlen.

Wenn man nun also annimmt, dass Quantenfluktuation dort besonders heftig auftritt, wo starke Gravita­tionsfelder wirken, scheint es mir nicht ausgeschlossen, dass sich auch durch  v i r t u e l l e  Mate­rie dort erzeugte Gravitationskräfte zu etwas durchaus Relevantem aufaddieren.

Auf jeden Fall wäre es interessant zu wissen, ob man im CERN — oder im Zuge anderer Projekte, die mit Teilchenbeschleunigern arbeiten — schon mal versucht hat, die Intensität von Quantenfluktuation zu messen: einerseits mit oder andererseits ohne die Gegenwart der starken  M a g n e t – felder, die man braucht, beschleunigte Protonen auf Kurs zu halten. (Die Intensität von Quantenfluktuation an Orten deutlich unter­schiedlichen  G r a v i t a t i o n s – potentials zu messen, ist uns bis auf weiteres ja wohl völlig unmöglich).

In diesem Zusammenhang stellt sich auch die interessante Frage, ob die Gesamtenergie der Raumzeit im Sinne des Energie-Erhaltungssatzes die Vakuumenergie mit beinhaltet. Paul Davies und Edward R. Harrison — beides Kosmologen — argumentierten schon in den 80-er Jahren, dass man die Expansion des Raumes als Energiequelle sehen müsse. [E]

Nochmals nachgefragt: Ist, was hier oder hier gesagt wird, richtig? Ist es Konsens? Wenn ja, wie passt das dann zu Hawkings Aussage "... wird der eine Partner in einem Teilchen-Antiteilchen-Paar positive und der andere negative Energie besitzen" (zitiert aus seinem Buch Eine kurze Geschichte der Zeit)?


Note: Wenn ich oben sage, dass virtuelle Teilchen nicht lange genug leben, um Licht abzustrahlen, könnte jemand auf die Idee kommen, zu fragen, wieso sie dann Zeit haben sollen, Gravitoren abzugeben.

Meine Antwort darauf: Gravitonen gelten als die Energieportionen, die sich als Gravitations­wellen ausbreiten. Hier sehe ich eine Parallele zum elektromagnetischen Potentialfeld: Es existiert, sobald man bewegte Ladungen hat, aber Photonen — Lichtwellen — entstehen dennoch erst, wenn solche Ladungen  b e s c h l e u n i g t  werden.

Sollten die Physiker Recht bekommen, die vermuten, dass alle 4 Grundkräfte — als Potentialfeld auftretend — nur unterschiedliche Erscheinungsformen einer einzigen Grundkraft sind, so muss man solche Analogie zwischen Photonen und Gravitonen doch geradezu erwarten. Mehr noch: Könnte es nicht sein, dass sämtliche Bosonen erst entstehen, wenn das sie abgebende Fermion beschleunigt wird? Dass die im September 2015 für eine halbe Sekunde beobachteten Gravitationswellen durch den Zusammenstoß zweier Schwarzer Löcher zustande kamen, scheint diese These zu stützen.


Siehe auch: Lee Smolin schreibt: Dark matter is a hypothetical kind of matter that gives off no light but is necessary if the rotations of galaxies are to be explained on the basis of Newton's laws.

Nach einer Darstellung des Albert-Einstein-Instituts gilt: Die Untersuchungen deuten darauf hin, dass es sich bei einem Großteil der dunklen Materie um bislang noch nicht direkt nachgewiesene Elementarteilchen handeln dürfte, von den Physikern WIMPs getauft: Weakly Interacting Massive Particles, zu deutsch: massive Teilchen, die nur sehr schwach mit herkömmlicher Materie wechselwirken.

Ein ganz anderer Erklärungsversuch kommt aus der Stringtheorie: Die Theorie der D-Branen nämlich sieht unser Universum als Brane und sämtliche Teilchen des Standardmodells als Schwingungszustände von Strings, die in der Brane liegen, sie NICHT verlassen können und branenspezifische Eigenschaften haben. Nach dieser Theorie kann einzig und allein die Gravitationskraft branen-übergreifend wirken. Wenn das aber richtig ist, könnten die Gravitationskräfte, die uns Dunkle Materie vermuten lassen, von Energie bzw. Materie in benachbarten Branen ausgehen.

Wie Dieter Lüst in seinem Buch Quantenfische, dtv 2014, S. 337-350, darlegt, könnte sich so nicht nur Dunkle Materie erklären lassen sondern auch das sog. Hierachieproblem.



Heute im kosmischen Raum gegebene Energieverteilung



Wie das NASA/WMAP Science Team festgestellt hat, war dieses Verhältnis etwa 380.000 Jahre nach dem Urknall ein noch ganz anderes. Damals galt:

Dunkle Materie: 63%   —   Normale Materie: 22%   —   Strahlung (Photonen): 15%


Dunkle Materie darf nicht verwechselt werden mit Dunkler Energie — einem dem Raum innewohnenden Druck, welcher der Gravitationskraft entgegen wirkt:

Woher die sog. Dunkle Energie kommt, weiß man bis heute nicht. Ihrer gravitativen Abstoßungskraft wegen identifiziert man sie mit Einstein kosmologischer Konstante (ohne zu wissen, ob diese Größe wirklich seit Anbeginn unserer Welt denselben Wert hat; Einstein erfand sie, damit seine Feldgleichung ein statisches Universum beschreibt — dass es dem Raum möglich sein sollte, sich aufzublähen, konnte er damals noch nicht glauben).

Die heute in einem Qubikkilometer gespeicherte Dunkle Energie entspricht in etwa der Energie, die eine 60-Watt-Birne in einer 1/100 Sekunde verbraucht (immer unter der Voraussetzung, dass Dunkle Energie gleichmäßig im gesamten Raum verteilt ist).

Während Materie und Strahlung infolge der Expansion des Raumes in immer geringerer Dichte vorlie­gen werden, nimmt man an, dass Dunkle Energie stets in immer gleicher Konzentration gegeben war und auch in Zukunft gegeben sein wird (daher der Begriff » kosmologische  K o n s t a n t e  «).

Solche Konstanz vorausgesetzt wird der Raum immer schneller expandieren mit dem Effekt, dass er in etwa 500 Milliarden Jahren so verdünnt sein wird, dass sich dann nur noch unser Sonnensystem selbst innerhalb des Beobach­tungshorizonts unserer Erde findet: Von keinem anderen Stern mehr kann Licht uns dann noch erreichen. [Natürlich ignoriert dieser Vergleich, dass es zu jener Zeit uns, unsere Erde, ja sogar unsere Sonne als leuchtenden Stern gar nicht mehr geben wird.]


Nebenbei: Das bisher genaueste Bild unseres Universums in seinem frühesten uns sichtbaren Stadium verdanken wir Daten, die der Forschungssatellit Planck gesammelt hat. Sie wurden 2003 veröffentlicht: siehe [PL] und [PL 2015].

Ein Ergebnis aus den Jahren 2020/2021 skizziert das diesem Link hinterlegte Video.


In 2023 ergab sich dann ein völlig neuer Aspekt: If Dark Matter comprises ultramassive particles, then according to cosmological simulations, there should be hundreds of satellite galaxies surrounding the Milky Way. However, despite intensive searches, only around fifty have been discovered so far. On the other hand, if Dark Matter comprises ultralight particles instead, then the theory of Quantum Mechanics predicts that galaxies below a certain mass simply cannot form owing to the wave interference of these particles, explaining why we observe a lack of small satellite galaxies around the Milky Way.'

Incorporating ultralight rather than ultramassive particles for Dark Matter resolve several longstanding problems simultaneously in both particle physics and astrophysics. We have reached a point where the existing paradigm of Dark Matter needs to be reconsidered. Waving goodbye to ultramassive particles, which have long been heralded as the favoured candidate for Dark Matter, may not come easily, but the evidence accumulates in favour of Dark Matter having wave-like properties as possessed by ultralight particles.



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