Es stellt sich heraus, dass die im leeren Raum enthaltene Energiemenge sehr schwer zu erklären ist, ohne die Multiversum-Theorie einzubeziehen. Aber Physiker haben noch mindestens eine Alternative zum Studium.
Die widersprüchliche Vorstellung, dass unser Universum nur eine zufällige Blase in einem unendlich schäumenden Universum ist, folgt logischerweise aus dem auf den ersten Blick unschuldigsten Merkmal der Natur: dem leeren Raum. Insbesondere wächst die Multiversum-Hypothese aus einer unglaublich kleinen Menge an Energie, die im leeren Raum enthalten ist - bekannt als Vakuumenergie, Dunkle Energie oder kosmologische Konstante. Jeder Kubikmeter Leerraum enthält eine solche Energiemenge, die ausreicht, um eine Glühbirne nur für 11 Billionen Sekundenbruchteile anzuzünden. "Es ist wie ein Knochen im Hals", beschrieb
Stephen Weinberg , Nobelpreisträger, einmal ein Problem, das aufgrund des
Vorhandenseins aller damit verbundenen Felder mindestens eine Billion Billionen Billionen Billionen Billionen Mal mehr Energie in einem Vakuum haben sollte Materie und Wechselwirkungen. Aber irgendwie werden alle Auswirkungen dieser Felder fast vollständig gegenseitig zerstört, und es wird ein ruhiger Frieden erreicht. Warum ist der leere Raum so leer?
Obwohl wir die Antwort auf diese Frage - das berüchtigte "
Problem der kosmologischen Konstante " - nicht kennen, scheint der extreme Grad der Leere unseres Vakuums für unsere Existenz notwendig zu sein. In einem Universum, das etwas mehr mit gravitativ abstoßender Energie gefüllt ist, würde sich der Raum zu schnell ausdehnen, als dass sich Strukturen wie Galaxien oder Planeten bilden könnten. Solch ein fein abgestimmtes System legt nahe, dass es viele Universen geben kann und jedes von ihnen seine eigene Menge an Vakuumenergie haben kann, und wir leben in einem Universum mit einer extrem niedrigen Rate, weil wir in keinem anderen erscheinen könnten.
Einige Wissenschaftler missbilligen die Tautologie des "
anthropischen Prinzips " und lehnen die Multiversum-Theorie ab, weil sie nicht überprüfbar ist. Selbst diejenigen, die sich dieser Theorie nicht widersetzen, möchten alternative Lösungen für das Problem der kosmologischen Konstante haben. Aber ohne ein Multiversum ist es fast unmöglich zu lösen. "Das Problem der dunklen Energie ist so schwierig und unpraktisch, dass die Menschen keine oder zwei Lösungen dafür gefunden haben", sagte Raman Sandram, theoretischer Physiker an der University of Maryland.
Um zu verstehen, warum dies geschieht, überlegen Sie, wie hoch die Energie eines Vakuums ist. Albert Einsteins allgemeine Relativitätstheorie besagt, dass Materie und Energie der Raumzeit sagen, wie sie sich biegen sollen, und die Krümmung der Raumzeit sagt Materie und Energie, wie sie sich bewegen sollen. Aus den Gleichungen folgt automatisch die Fähigkeit der Raumzeit, ihre eigene Energie zu haben - eine konstante Menge, die verbleibt, wenn dort nichts mehr ist, was Einstein die kosmologische Konstante nannte. Seit Jahrzehnten gehen Kosmologen davon aus, dass sein Wert angesichts der relativ konstanten Expansionsrate des Universums Null ist, und haben darüber nachgedacht, warum dies geschehen ist. 1998 entdeckten Astronomen jedoch, dass sich die Expansion des Weltraums tatsächlich allmählich beschleunigt, was das Vorhandensein abstoßender Energie impliziert, die den gesamten Raum durchdringt.
Die angenommene Dichte dieser Vakuumenergie widerspricht jedoch dem, was die Quantenfeldtheorie über den leeren Raum sagt. Ein Quantenfeld gilt als leer, wenn sich Teilchen, die Feldanregungen darstellen, nicht durch dieses bewegen. Aufgrund des Unsicherheitsprinzips ist der Zustand eines Quantenfeldes jedoch nie genau bekannt, sodass die Energie nicht genau gleich Null sein kann. Stellen Sie sich vor, ein Quantenfeld besteht aus kleinen Federn, die sich an jedem Punkt im Raum befinden. Die Federn schwingen ständig, da sie vom entspanntesten Zustand immer auf unbestimmte Entfernung gespannt sind. Sie sind immer entweder leicht zusammengedrückt oder leicht gedehnt und bewegen sich daher immer, was bedeutet, dass sie Energie haben. Dies nennt man
Nullfeld-Energie . In den Bereichen der Wechselwirkungen ist die Nullenergie positiv und in den Bereichen der Materie - negativ, und diese Energien sind an der Gesamtenergie des Vakuums beteiligt.
Die Gesamtenergie des Vakuums sollte ungefähr gleich der Summe der größten Beiträge sein. Die beobachtete Geschwindigkeit der kosmischen Expansion legt jedoch nahe, dass dieser Wert 60 bis 120 Größenordnungen geringer ist als einige Beiträge der Nullfeld-Energie, als ob sich alle unterschiedlichen positiven und negativen Terme gegenseitig vernichten würden. Es ist jedoch aus zwei Gründen äußerst schwierig, einen physikalischen Mechanismus für diese Ausrichtung zu finden.
Erstens wirkt die Vakuumenergie nur gravitativ, daher ist ein Gravitationsmechanismus erforderlich, um sie zu reduzieren. Aber in den ersten Momenten des Lebens des Universums, als ein solcher Mechanismus funktionieren konnte, war er so klein, dass seine gesamte Vakuumenergie im Vergleich zur Menge an Materie und Strahlung vernachlässigbar war. Die Gravitationseffekte der Vakuumenergie würden vor der Schwerkraft von allem anderen verblassen. "Dies ist eine der größten Schwierigkeiten bei der Lösung des Problems der kosmologischen Konstante", schrieb der Physiker Rafael Busso im Jahr 2007. Der Gravitationsrückkopplungsmechanismus, der die Vakuumenergie unter den Bedingungen des frühen Universums fein abstimmt, "kann grob mit einem Flugzeug verglichen werden, das in einem Sturm mit einer Geschwindigkeit von fliegt." auf Atomgröße genau. "
Erschwerend kommt hinzu, dass die Berechnungen der Quantenfeldtheorie zeigen, dass sich die Vakuumenergie aufgrund von Phasenänderungen im kühlenden Universum kurz nach dem Urknall ändern würde. Infolgedessen stellt sich die Frage, ob dieser hypothetische Mechanismus, der die Vakuumenergie ausrichtet, vor oder nach diesen Änderungen funktioniert hat. Und wie könnte der Mechanismus wissen, wie groß diese Effekte sein würden, um sie so genau zu kompensieren?
Bisher behindern diese Hindernisse Versuche, das winzige Gewicht des leeren Raums zu erklären, und beugen sich nicht zum Multiversum-Universum. Vor kurzem begannen einige Forscher, eine alternative Option zu untersuchen: Wenn das Universum nicht aus dem Nichts erschien, sondern sich
erholte, nachdem es zuvor komprimiert worden war , hätte das
komprimierte Universum in der fernen Vergangenheit riesig sein müssen und Vakuumenergie hätte es dominieren müssen. Vielleicht war es dann so, dass ein bestimmter Gravitationsmechanismus die Fülle der Vakuumenergie beeinflussen könnte, und irgendwie wäre es natürlich, sie im Laufe der Zeit zu zerstreuen. Diese Idee inspirierte die Physiker Peter Graham, David Kaplan und Sargit Rajendran [Peter Graham, David Kaplan, Surjeet Rajendran], ein
neues Modell des kosmischen Rückpralls zu entwickeln , obwohl sie noch nicht genau zeigen müssen, wie Vakuumstreuung in einem kontrahierenden Universum funktionieren sollte.
Als Antwort auf den Brief nannte Busso diesen Ansatz "einen äußerst würdigen Versuch" und "einen gut informierten und ehrlichen Kampf gegen ein ernstes Problem". Aber er fügte hinzu, dass große Probleme im Modell bleiben und „die technischen Hindernisse, die überwunden werden müssen, um diese Lücken zu füllen und die Idee funktionieren zu lassen, ziemlich ernst erscheinen. Dieses ganze Design ähnelt bereits
der Goldberg-Maschine und wird in Zukunft bestenfalls noch verwirrender, wenn die Löcher gefüllt werden. " Er und andere Unterstützer des Multiversums glauben, dass ihre Antwortoption im Vergleich dazu einfacher aussieht.