Dies ist eine Übersetzung eines Artikels von Mark Anderson von New Scientist (18.-24. März 2017).
Überraschend anziehende Kraft
Theoretisch sollte die Schwerkraft eine vorhersehbare Kraft sein. Wir kennen sie gut, dank ihr sind wir fest auf der Erde und unsere Atmosphäre fliegt nicht in den Weltraum. Wenn wir einen größeren Maßstab nehmen, dann hat diese Kraft die Entwicklung des Universums selbst beeinflusst. Wie beleidigend, dass uns manchmal die Schwerkraft versagt. Um die Spiralrotation von Galaxien und Galaxienhaufen durch die Schwerkraft in der Form zu erklären, in der wir sie verstehen, müssen wir eine völlig neue Form von Materie entwickeln, die noch niemand aus erster Hand gesehen hat - dunkle Materie. Um die Beschleunigung der Expansion des Universums zu erklären, müssen wir eine ebenso mysteriöse Einheit erfinden - die Dunkle Energie.
Aber was ist, wenn wir die Schwerkraft nie vollständig verstanden haben? Was ist, wenn die Schwerkraft nicht außerhalb unseres Sichtfeldes nach den Regeln spielt?
Das zu denken ist praktisch Häresie, obwohl solche Ideen nicht neu sind. In jüngster Zeit haben uns jedoch neuere Forschungen zu Galaxien und unerwartete Ergebnisse aus dem Bereich der Quanteninformatik mit einer neuen Kraft dazu gebracht, unser Verständnis der Schwerkraft zu überdenken. Es entstehen neue radikale Ideen, in denen unsere Vorstellungen von Raum-Zeit und der Essenz der Schwerkraft gründlich transformiert werden. Es gibt keinen Platz für dunkle Materie im neuen Bild der Welt, und dunkle Energie kann sie teilweise erzeugen, anstatt der Schwerkraft zu widerstehen.
Fast alles, was wir über die Schwerkraft wissen, wurde uns von Isaac Newton und Albert Einstein gegeben. Newton erklärte uns, dass die Anziehungskraft umgekehrt mit dem Quadrat der Entfernung abnimmt, und Einstein - dass die Schwerkraft als Ergebnis der Krümmung der Raum-Zeit durch massive Objekte auftritt.
Das Newtonsche Gesetz der universellen Gravitation besagt, dass bei Sternen, die weiter vom Zentrum der Galaxie entfernt sind, die Schwerkraft schwächer ist als bei Sternen, die sich näher am Zentrum der Galaxie befinden, sodass die Geschwindigkeit der ersteren geringer ist. In den 1970er Jahren stellten Astronomen, darunter auch Vera Rubin, fest, dass die Geschwindigkeit der vom Zentrum der Galaxien entfernten Sterne nicht wie vorhergesagt abnahm. Stattdessen ging die Geschwindigkeit zurück, was nur durch das Vorhandensein unsichtbarer Materie in der Umgebung der Galaxie und die Schaffung zusätzlicher Anziehungskraft erklärt werden konnte. Seitdem haben wir erfolglos versucht, diese Angelegenheit zu finden.
Das Spiel ist nicht nach den Regeln
Es stimmt, nicht alle haben an den Suchanfragen teilgenommen. In den 1980er Jahren zeigte Mordehai Milgrom, der damals an der Princeton University arbeitete, dass wir die Seltsamkeiten in der Rotationsgeschwindigkeit von Galaxien ohne Beteiligung der Dunklen Materie erklären können. Dazu müssen wir nur die Idee verwerfen, dass sich die Schwerkraft mit zunehmenden Entfernungen immer so verhält, wie es Newton und Einstein vorhergesagt haben. Milgroms Theorie, bekannt als MOND (Modified Newtonian Dynamics), legt nahe, dass die Schwerkraft sanfter schwächt als Newton behauptet. Sobald die durch die Schwerkraft verursachte Beschleunigung eines Objekts einen bestimmten Wert unterschreitet oder vielmehr 82 Milliarden Mal schwächer wird als die Erdbeschleunigung auf der Erde, wechselt die Schwerkraft plötzlich in einen neuen Modus.
Milgrom erzielte einige Erfolge, indem er seine Theorie auf Spiralgalaxien anwendete, aber MOND war nicht weit verbreitet. Zunächst war es mit seiner Hilfe unmöglich, Galaxienhaufen zu berechnen, die ohne die Beteiligung der Dunklen Materie oder ohne radikalere Änderungen der Gravitationstheorie als die von MOND zugelassenen keine eigentlichen Haufen bilden könnten. Außerdem schienen die von dieser Theorie vorgeschlagenen Änderungen zu zufällig zu sein. Warum sollte sich die Schwerkraft an diesem scheinbar willkürlichen Punkt plötzlich ändern?
Und dennoch bleibt MOND immer noch flott und in geringerem Maße aufgrund der Tatsache, dass dunkle Materie nie entdeckt wurde. "Es gibt zwei Möglichkeiten", sagt John Moffat vom Perimeter Institute for Theoretical Physics in Waterloo, Kanada. "Entweder werden wir eine unsichtbare Quelle zusätzlicher Anziehungskraft finden und sicherstellen, dass Newton und Einstein Recht hatten, oder wir werden nichts finden." In diesem Fall müssen wir die Schwerkraft verfeinern. "
Letztes Jahr kam vielleicht endlich ein Wendepunkt. Stacy McGaugh, Astronomin an der Case Western Reserve University in Cleveland, Ohio, und seine Kollegen haben mit unserer Milchstraßengalaxie mehr als 150 Spiralgalaxien der Haut erneut untersucht. Als sie die berechnete Anziehungskraft mit der Rotationsgeschwindigkeit der Galaxienscheibe verglichen, stellten sie fest, dass sich Sterne näher am Rand der Scheibe mit ungewöhnlich hohen Geschwindigkeiten drehen.
Und was ist damit? Schließlich ist es genau dieses Verhalten, das wir bereits wiederholt beobachtet haben, und es kann erklärt werden, indem die Galaxie mit einer Wolke dunkler Materie umhüllt wird. In einer statistischen Auswertung verwendete McGaw jedoch eine Kreuzkontrolle. Er nahm die gesamte sichtbare Materie in allen Galaxien auf und verglich die Anziehungskraft dieser Materie an jedem Punkt mit der Rotationsgeschwindigkeit der Sterne in der Nähe. Infolgedessen erhielt er eine überraschend enge Beziehung zwischen der Rotationsgeschwindigkeit von Galaxien und der Verteilung der darin enthaltenen sichtbaren Materie.
Lee Smolin, Theoretiker am Perimeter Institute in Kanada, war erstaunt. Eine solche Beziehung sei "gleichbedeutend mit dem Naturgesetz", sagt er. Sie erwarten dies nicht, wenn etwas anderes als sichtbare Materie die Galaxien beeinflusst.
Noch überraschender ist die Tatsache, dass diese enge Beziehung zwischen sichtbarer Materie und der Bewegung von Sternen in einer Vielzahl unterschiedlicher Galaxien verbleibt, obwohl die dunkle Materie in ihnen unterschiedlich verteilt ist. Dunkle Materie sollte nicht sanftmütig gewöhnlicher Materie folgen. Daher interagiert es entweder mit gewöhnlicher Materie oder ist selbst stärker als das, was das einfache Modell vorhersagt, oder etwas stimmt nicht mit der Schwerkraft.
McGaws Arbeit ist nicht der einzige Grund, der uns zwingt, diese ketzerische Frage erneut zu stellen. Eines der größten Probleme für MOND ist das Verhalten von Galaxienhaufen. Wie die Sterne am Rand von Galaxien bewegen sich auch die Galaxien am Rand von Clustern zu schnell - eine Tatsache, die durch dunkle Materie erklärt wird. Die Beobachtung des Effekts der Gravitationslinse (eine leichte Krümmung des Lichts durch das Gravitationsfeld massereicher Objekte) legt nahe, dass die zusätzliche Kraft, die Galaxien Geschwindigkeit verleiht, nicht dort ist, wo sichtbare Materie ist. Es ist einfach unmöglich, das Verhalten von Galaxienhaufen ohne die Beteiligung unsichtbarer Materie zu erklären, zumindest wird angenommen.
Das bekannteste Beispiel ist das Bullet-Cluster (Bullet CLuster 1E 0657-558, Titelbild), das nach seiner Ähnlichkeit mit dem Zeitlupenbild einer Kugel benannt wurde, die ein Ziel in Stücke zerbricht. Für viele Jäger der Dunklen Materie ist dies der beste Beweis dafür, dass sie dieses Tier nicht umsonst jagen, und es existiert. Pavel Kroupa von der Universität Bonn in Deutschland behauptet jedoch das Gegenteil - diese intergalaktische Hochgeschwindigkeitskollision kann nur durch die MOND-Theorie erklärt werden.
"Der Vergleich mit dem Bild einer Kugel, die ein Ziel trifft, ist sicherlich ein Witz für die Massen", sagt er. Krupa behauptet, dass in einem realistischen Zeitrahmen die Standardgravitation zu schwach ist, um solche heißen und heftigen Kollisionen von Galaxien zu verursachen, wie wir im Bullet-Cluster beobachten. Dunkle Materie in den Anfangsstadien einer Kollision kann ihr die hohe Geschwindigkeit verleihen, die wir beobachten, aber sie wird bereits alle nachfolgenden Wechselwirkungen stören. "Der Heiligenschein der dunklen Materie ähnelt einem Netz", sagt Krupa. "Es fängt jede Galaxie auf seinem Weg ein." Daher ist es sehr schwierig, ein Paar kollidierender Galaxien zu erklären, die sich auch nach einer Kollision mit hoher Geschwindigkeit weiter bewegen. "Dies ist ein großes Problem für ein Standardmodell der Kosmologie", sagt Krupa. "Aber mit modifizierter Schwerkraft ... gibt es kein solches Problem."
Das Wesen von MOND ist, dass es in galaktischen und intergalaktischen Entfernungen, in denen wir die Schwerkraft nicht direkt messen können, stärker ist als gedacht. Und dies und nicht irgendeine unsichtbare Materie wird die einfachste Erklärung dafür sein, warum sich Materie auf einer solchen Skala schneller bewegt und mehr kollidiert, als Newton und Einstein vorhersagen.
Dies bedeutet nicht, dass die MOND-Theorie keine eindeutigen Probleme bei der Wechselwirkung innerhalb von Galaxienhaufen hat. Im Bullet-Cluster mit Teleskopen haben wir zwei unterschiedliche Stellen identifiziert, an denen die Gravitationslinsen stärker ausgeprägt sind, was bedeutet, dass eine höhere Massenkonzentration vorliegt, die nicht mit der Menge an gewöhnlicher Materie übereinstimmt, die wir an diesen Stellen beobachten.
Milgrom besteht darauf, dass dieses Problem keine so schreckliche Bedrohung für sein Modell darstellt, wie viele glauben. "Nur eine kleine Menge nicht erfasster Masse, die sich als die gewöhnlichste Angelegenheit herausstellen kann, zum Beispiel tote Sterne oder Wolken aus kaltem Gas, die wir noch nicht entdeckt haben, reicht aus", sagt er.
Obwohl Beobachtungen dies nicht bestätigt haben, suchen andere Wissenschaftler nach theoretischen Lösungen für dieses Problem. Eine solche Lösung ist ein Hybridmodell, bei dem sich dunkle Materie wie ein Werwolf verhält - sie bewegt sich frei durch die Galaxien und erzeugt eine zusätzliche Schwerkraft, die mit der MOND-Theorie übereinstimmt, aber in Galaxienhaufen verhält sie sich wie gewöhnliche dunkle Materie.
Eine andere Option, die plötzlich wieder in Mode kam, ist die Modifizierung von MOND. Genau das macht Moffat. Nach seinem Verständnis ändert sich die Anziehungskraft nach dem Hinzufügen der Abstoßungskraft, die wiederum von der Entfernung abhängt, weshalb die Anziehungskraft in kleinen Entfernungen dem Newtonschen Gesetz des umgekehrten Quadrats folgt, aber am Rande der Galaxie schwächer wird. In einem solchen Bild der Welt ist die Schwerkraft stärker als Newton angenommen hat, und sie verhält sich so, wie es MOND vorhersagt.
Moffat behauptet, dass seine Theorie die Rotation von Galaxien und abnorme Geschwindigkeiten im Bullet-Cluster erklären kann. Das Hauptmerkmal seiner Theorie ist jedoch, dass in der Nähe von Schwarzen Löchern die Anziehungskräfte stärker sind, als selbst MOND vorhersagt, was uns die Möglichkeit geben könnte, diese Theorie zu testen.
Wenn wir ein Schwarzes Loch betrachten könnten, würden wir eine schwarze Scheibe sehen, die von einem Schatten umgeben ist, der durch extrem starke Gravitationslinsen verursacht wird. 2015 berechnete Moffat, dass nach seiner Theorie der Schatten um ein supermassereiches Schwarzes Loch in der Mitte der Milchstraße zehnmal größer sein würde als der von GR vorhergesagte. Und dann betritt Event Horizon die Szene
Teleskop (EHT) - ein globales Netzwerk von Radioteleskopen, dessen Start für April dieses Jahres geplant ist, um erstmals detaillierte Bilder von Schwarzen Löchern zu erhalten. Zumindest theoretisch können wir diesen aufgeblähten Schatten beobachten, wenn er natürlich überhaupt da ist.
Was auch immer wir wählen, die traditionelle MOND-Theorie oder die modifizierte Moffat-Schwerkraft, es gibt ein großes Problem, das nicht ignoriert werden kann - das eklatante Fehlen einer fundamentalen Theorie. Warum weicht die Schwerkraft plötzlich von dem Kurs ab, den Newton und Einstein darauf gesetzt haben, und sogar, wie es scheint, an einem zufälligen Punkt? Die Antwort auf diese Frage kann erhalten werden, wenn wir unser Verständnis des Wesens der Schwerkraft radikal überarbeiten.
Im vergangenen Jahr bot Erik Verlinde von der Universität Amsterdam in den Niederlanden eine neue Perspektive. Er glaubt, dass die Schwerkraft nicht von selbst entsteht, sondern als Ergebnis von Wechselwirkungen zwischen verschränkten Quanteninformationsbits.
Verschränkung ist eine tiefe und gleichzeitig zutiefst paradoxe Verbindung zwischen Paaren oder Gruppen von Partikeln, wenn die Exposition gegenüber einem Partikel bei anderen eine Reaktion hervorruft, selbst wenn diese durch große Entfernungen voneinander getrennt sind. Seit den späten 1990er Jahren haben Physiker gelernt, wie man die Newtonsche und Einstein-Schwerkraft mithilfe von Netzwerken verschränkter Quantenbits erhält. Das Problem ist, dass es nur im theoretischen Universum funktioniert, das als Anti-de-Sitter-Raum bekannt ist und sich anders verhält als das Universum, in dem wir leben.
Der Hauptunterschied ist, dass in unserem Universum das Vakuum nicht so ruhig und still ist. Er brodelt vor dunkler Energie, einer mysteriösen Substanz oder Kraft, von der angenommen wird, dass sie für die Beschleunigung der Expansion der Raumzeit verantwortlich ist.
Anstatt zu versuchen, dieses Problem zu lösen, untersuchte Ferlinde, wie sich die Schwerkraft, die durch die Wechselwirkung zwischen verschränkten Quanteninformationsbits verursacht wird, in einem Universum verhält, in dem es dunkle Energie gibt. Als Ergebnis erhielt er ein neues Bild der Schwerkraft, in dem dunkle Energie der Verschränkung von Quantenbits etwas mehr Elastizität verleiht.
"Es stellt sich heraus, dass dunkle Energie ein elastisches Medium ist", sagt Ferlinde, "und wenn Sie dort Masse hinzufügen, verformt es dieses Medium." Zusätzliche Elastizität, die durch dunkle Energie erzeugt wird, treibt die Anziehungskraft in großen Entfernungen an, was letztendlich dazu führt, dass in einer Entfernung zusätzliche Effekte auftreten, die Milgroms MOND-Theorie ähneln.
Ferlindes Ideen machten einen großen Eindruck, aber es ist noch nicht klar, wie verbunden sie sind. „Er beginnt mit dunkler Energie und sagt, dass sie zu etwas führt, das der dunklen Materie ähnelt“, sagt Sabine Hossenfelder vom Frankfurter Institut für fortgeschrittene Studien in Deutschland. „Er tut sein Bestes, um seine Hypothesen mit der großen Annahme in Einklang zu bringen, die in den letzten Jahren große Popularität erlangt hat, dass Raumzeit aus Verschränkung entsteht. Aber ich bin mir nicht sicher, ob es einen Bedarf gibt. "
In einer kürzlich durchgeführten Studie wurde festgestellt, dass wir, wenn wir Ferlindes Standpunkt zur Schwerkraft betrachten, die Anomalien in der Gravitationslinse erklären können, die in der Nähe von etwa 30.000 Galaxien beobachtet wurden. Seine Theorie wurde jedoch dafür kritisiert, dass sie Vorhersagen getroffen hat, die tatsächlich von MOND abweichen. In einer wissenschaftlichen Arbeit in Zusammenarbeit mit McGaugh heißt es beispielsweise, dass Ferlindes Theorie hauptsächlich von MOND abweicht - eine Erklärung für die abnormale Rotation von Galaxien. Darüber hinaus sagt seine Theorie die Bewegung von Planeten voraus, die wir in unserem Sonnensystem tatsächlich nicht beobachten.
Smolin seinerseits schlug einen bescheideneren Versuch vor, die MOND-Physik aus den Prinzipien der Quantengravitation abzuleiten, und im Gegensatz zu Ferlindes Theorie weichen ihre Ergebnisse nicht von der MOND-Theorie ab. Keiner von ihnen behauptet, er habe eine vollständige Theorie der Quantengravitation erhalten. Eines ist jedoch klar: Auf die Frage, warum sich die Schwerkraft in großen Entfernungen so seltsam verhält, erhielten Theoretiker Antworten.
"Wir wissen nicht, wohin uns die endgültige Theorie führen wird, weil wir sie noch nicht gebracht haben", sagt McGaw. "Daher können wir vor dem Fortschreiten der Zeit der Verwirrung und des Schwankens nichts erreichen."