Unsere Welt zu verstehen:  Konstante Verletzt

 

 
Die kosmologische Konstante

— hmsgnr0211z

 
 
Im November 1915 publizierte Einstein die erste von ihm selbst als fertig erachtete Fassung seiner Feldgleichung der Allgemeinen Relativitätstheorie (ART).
 
Wie ihm erst ein Jahr später bewusst wurde, hatte er darin eine Integrationskonstante stillschweigend weggelassen, d.h. angenommen, ihr physikalisch einzig sinnvoller Wert sei Null.
 
Diese Größe — heute durch den griechischen großen Buchstaben Λ bezeichnet und kosmologische Konstante genannt — hat sich inzwischen als wichtiger Parameter unseres Universums herausgestellt. Physikalisch lässt sie sich auffassen

 

• entweder als eine Eigenschaft der Raum-Zeit-Geometrie
   
• oder als Energiedichte des Vakuums.

Jeder positive Wert dieser Konstanten resultiert in beschleunigter Raumexpansion — und seit 1998 weiß man, dass viele unserer astronomischen Beobachtungen auf eben sie hindeuten.

 
Interessant ist, dass Einstein selbst, diese Konstante zwar zunächst doch berücksichtigt hat, dies aber später — 1931, George Gamov gegenüber — als seine größte Eselei bezeichnete (da sie seinem Glauben an ein statisches Universum widersprach).
 
Dieses Beispiel zeigt sehr schön, wie wichtig es zu sein scheint, den Aussagen der Mathematik zu vertrauen — also nicht zu glauben, dass durch sie aufgedeckte Möglichkeiten nicht doch etwas mit physikalischer Realität zu tun haben könnten.
 
|
 
Heute gilt Λ als die einfachste Erklärung für die Triebkraft der kosmischen Expansion: für das, was man Dunkle Energie nennt (oder auch negative Gravitation).
 
Man kann es auch so sagen: Dunkle Energie ist ein Konzept, welches Einsteins kosmologische Konstante verallgemeinert zu einer zeitlich variablen Größe.
 
Der aus kosmologischen Beobachtungen ermittelte derzeitige Wert der Zahl ist um etwa 120 Größenordnungen kleiner, als der durch die Quantenfeldtheorie vorhergesagte. Irgendwas also hat man bisher noch nicht verstanden. Man könnte aber auch auf die Idee kommen, diese Diskrepanz als Anzeichen dafür zu deuten, dass Gravitation — als durch die Quantentheorie bisher vernachlässigte Kraft — selbst im Vakuum noch eine recht große Rolle spielt.

 
 
Ist H der Hubbleparameter und setzt man Ω_Λ = Λ/(3H²), so zeigen Einsteins Gleichungen, dass die Expansion des Raumes sich beschleunigt, solange Ω_Λ größer als die halbe Massendichte Ω_m/2 ist.
 
Die beste Übereinstimmung mit heute vorhandenen Beobachtungsdaten ergibt sich, wenn man Ω_m = 0,3 und Ω_Λ = 0,7 annimmt, was ganz deutlich die Bedingungen für beschleunigte Expansion des Raumes erfüllt.
 
 

 
Verletzt das Vakuum den Energie-Erhaltungssatz?
 
 
Dass physikalische Größen wie Energie und Impuls in einem geschlossenen System weder verschwinden, noch zusätzlich auftauchen können, ist ein ganz zentraler Grundsatz der klassischen Physik und war wichtiger Ausgangspunkt von Einsteins Entwicklung der ART.
 
Für expandierende Raumzeiten allerdings, lassen sich solche Erhaltungssätze bisher  n i c h t  begründen.
 
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, ohne dass klar sei, woher jene Energie kommt.
 
Und auf der Frühjahrstagung 2015 der Deutschen Physikalischen Gesellschaft wies Gerhard Schäfer (Universität Jena) darauf hin: "Das Thema Energie in der relativistischen Kosmologie ist eine Katastrophe."
 

 
 
Quelle: Rüdiger Vaas: Jenseits von Einsteins Universum (2016), S. 188 bzw. 191-192.
 
Lies auch: Das Rätsel der kosmischen Vakuumenergiedichte und die beschleunigte Expansion des Universums
 
Lies ferner: Dis komologische Konstante