Eine kurze Geschichte der „Dunklen Energie“

Ich habe lange darüber nachgedacht, worüber ich in meinem ersten Artikel für die FreieHONNEFER am besten schreiben könnte, um bei ihren Lesern Spannung und Interesse zu wecken. Als Physiker verbringe ich viel Zeit damit, mir Gedanken über einige der reizvollen Ideen zu machen, die die Kosmologie und die Teilchenphysik bereithalten.

Schließlich habe ich mich entschlossen, den aktuellen Stand der Theoretischen Physik aus einer historischen Perspektive heraus zu erklären.

Ich denke, dass das eine gute Idee ist. Es kann dem interessierten Leser helfen zu verstehen, wie wir zu einigen der Aussagen gekommen sind, die wir heute für gesichert halten. In den nächsten Artikeln möchte ich in einige der spannenden Ideen der Kosmologie einführen, die Schwerkraft und die Teilchenphysik, und ich möchte zeigen, wie diese beiden sich allmählich miteinander unter dem wissenschaftlichen Dach der String-Theorie verbinden.

Einstein gilt gemeinhin als der Großvater der modernen Physik und seine Allgemeine Relativitätstheorie ist für unsere Zwecke ein guter Anfang. Einstein hat sich eine große Glaubwürdigkeit in der wissenschaftlichen Gemeinschaft der Physik erworben, nach seiner Erforschung des Photo-Elektrik-Effekts (für die er den Nobelpreis erhalten hat) und seiner speziellen Relativitätstheorie. Es war diese Glaubwürdigkeit, die ihm die Freiheit gab, das zu verfolgen, was seine bedeutendste Theorie wurde: die Allgemeine Relativitätstheorie, die er 1915 abschloss. Die meisten halten die Allgemeine Relativitätstheorie für eine Theorie der Schwerkraft; ich denke vielmehr, dass es nützlicher ist von der Allgemeinen Relativitätstheorie als von einer Raum-Zeit-Theorie zu sprechen, aus der das Phänomen, das wir als Schwerkraft bezeichnen, letztendlich hervorgeht. Auch wenn dieses Magazin für interessierte Leser geschrieben wird und mathematische Kenntnisse also nicht notwendig vorausgesetzt werden können, möchte ich doch eine einzige Gleichung anbringen, nur um Ihnen die schöne Einfachheit der Einsteinschen Theorie zu demonstrieren. Einsteins Feld-Gleichung lautet

So außergewöhnlich einfach wie sie auszusehen scheint, sind in dieser mächtigen Gleichung in Wahrheit zehn Gleichungen verborgen. Die Lösung jeder einzelnen dieser Gleichungen füllt viele Seiten mit Rechenwegen. Die linke Seite der Gleichung beschreibt die Geometrie der Raum-Zeit, und die rechte Seite beschreibt den Gehalt von Masse und Energie der Raum-Zeit. Um diese Formel zu lösen, fügt man in die rechte Seite der Gleichung die Masse und Energie ein, von der wir glauben, dass sie im Universum vorhanden ist (Sterne, elektromagnetische Strahlung der Planeten etc.), und während wir Einsteins Gleichung lösen, erfahren wir was die Geometrie des Universums macht, als Folge dieses Gehalts an Materie und Energie. Die Raum-Zeit kann drei mögliche Dinge tun, und jede dieser Möglichkeiten hängt ab von unserer grundlegenden Vermutung über den Masse-Energie-Gehalt des Universums. Die Raum-Zeit kann schrumpfen, statisch verharren oder sie kann sich ausdehnen.

Einsteins Anfänge legen nach der Lösung der Feldgleichung offen, dass das Universum expandiert. Dieses Resultat war ihm selbst absolut zuwider, weil es sein tiefer Glaube war, dass das Universum statisch, unveränderlich und ewig sei. Um sich mit dem Unglauben an die Voraussage der Gleichung zu versöhnen, fügte Einstein das ein, was Physiker den „fudge-factor“, den „Schummel-Faktor“ nennen. Er fügte seiner Gleichung „per Hand“ eine extra Größe hinzu, die dem Universum abrang statisch und unwandelbar zu sein. Er nannte diese Größe die „Kosmologische Konstante“.

Zu Einsteins Bestürzung machte der amerikanische Astronom Edwin Hubble 1929 eine tief greifende Entdeckung. Er fand heraus, dass, wo auch immer man in den Nachthimmel blickt, die Galaxien sich im Allgemeinen von der Erde entfernen. Und nicht nur das. Weiter entfernte Galaxien scheinen sich schneller zu entfernen, als solche, die der Erde näher liegen. Diese Beobachtung lieferte den Beweis, um die kurz zuvor entdeckte Urknalltheorie („big-bang“ theory) zu stützen. Hubbles Entdeckung basierte auf der so genannten kosmologischen Rotverschiebung, die dem auf der Erde bekannten Doppler-Effekt ähnelt. Wie bei einem vorbeirasenden Krankenwagen, nimmt man infolge der Frequenzänderung, eine Veränderung in der Tonhöhe des Martinshorns wahr. Solange sich das Fahrzeug nähert, ist der wahrgenommene Ton höher als im Stand; wenn es sich entfernt, ist er tiefer. Ein vergleichbarer Effekt lässt sich an Licht beobachten; und es ist eben dieses Phänomen, das uns die Bewegung der Galaxien enthüllt.

Merkwürdig an dieser Entdeckung ist, dass sie auf den ersten Blick etwas sehr Merkwürdiges unterstellt. Wenn sich alle Galaxien von uns entfernen, dann macht uns das wohl einigermaßen speziell? Die Entdeckung setzt voraus, dass die Erde sich an einem Ort befindet, der von großer kosmischer Bedeutung ist.
Natürlich ist die Erde nicht von dieser kosmologischen Bedeutung. Um zu verstehen, was tatsächlich passiert, führen wir uns folgendes vor Augen. Stellen Sie sich vor, Sie malen kleine Punkte auf die Oberfläche eines leeren Luftballons. Jeder Punkt repräsentiert dabei eine Galaxie in unserem Universum. Jetzt blasen Sie den Ballon auf, und Sie stellen fest, dass er sich ausdehnt und die Punkte sich weiter und weiter voneinander entfernen. Aus der Perspektive eines kleinen Geschöpfs, das sich auf irgendeinem der Punkte befindet, sieht es so aus, als ob all die anderen Punkte (Galaxien) sich von ihm wegbewegen. So müssen wir uns die Raum-Zeit als ein Gewebe vorstellen, in das alle Materie und Energie gewoben ist; und dieses Gewebe ist in ständiger Ausdehnung.

Abbildung1: In einem sich ausdehnenden Universum erscheint es so, als ob alle Galaxien sich voneinander entfernen würden.

Die Vorstellung, dass das Universum sich ausdehnt hat sich über ein Jahrhundert als kosmologisches Dogma gehalten. 1999 allerdings entdeckten Astronomen etwas, das möglicherweise noch schwerwiegender ist als das sich ausdehnende Universum. Die Beobachtung der kosmologischen Rotverschiebung bei einer weit entfernten Supernova führte zu der Entdeckung, dass das Universum sich beschleunigt ausdehnt! Dass es sich also nicht einfach nur ausdehnt, sondern dass der Grad der Ausdehnung sich vergrößert.
Tiefgründig an dieser Entdeckung ist, dass eine Art exotisches Anti-Gravitationsfeld nötig ist, um diese Beschleunigung zu begründen, weil die gewöhnliche Gravitationsenergie, die im gesamten Universum universell ist, eine Verlangsamung des Universums hervorbringen würde. Ein moderner Fachausdruck für diese exotische Erscheinung ist die „Dunkle Energie“. Die Forschung über Dunkle Energie ist gegenwärtig sehr populär, und es existieren zahlreiche theoretische Erklärungen über ihr fundamentales Wesen; eine allgemein gültige Theorie jedoch gibt es bis heute nicht.
Meine eigenen Forschungen umfassen den Versuch die Natur der Dunklen Energie zu enthüllen, und ich möchte sowohl meine Vorstellungen, als auch andere populäre Theorien, die sich mit dem Wesen der dunklen Energie befassen, in weiteren Artikeln diskutieren. Ich hoffe, dass Ihnen bereits dieser kurze Artikel einen ersten flüchtigen Eindruck von den spannenden Forschungsfeldern der Kosmologie verschafft hat. - Richard Obousy | http://richardobousy.wordpress.com |  Übersetzung: Paul Schilling

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Originaltext in Englisch:

A Brief History of Dark Energy

I spent some time thinking about what I might write for my rst article, hoping to generate some excitement and interest amongst the readers of FreieHonnefer. As a physicist, I spend a lot of time thinking about some of the tantalizing ideas emerging in cosmology and particle physics and so I nally decided that it might be a good idea to introduce the current state of theoretical physics from a historical perspective which would aid the interested reader in understanding how we arrived at some of the conclusions we now take for granted. Over the next few articles I plan to introduce some of the exciting ideas in cosmology, gravity and particle physics and show you how the two are gradually merging into the unied research eld of string theory.

Einstein is commonly referred to as the grandfather or modern physics and his General theory of Relativity (GR) is a good place to start. Einstein had gained a huge amount of credibility in the physics community after his research regarding the photo-electric eect (for which he won the noble prize) and his special theory of
relativity. This credibility gave him the freedom to pursue what would become his most signicant theory, the General theory of relativity, which was completed in 1915.

GR is commonly believed to be a theory of gravity, but I think that it is more useful to think of GR as a theory of space-time, from which the phenomenon we call gravity ultimately emerges. Although this magazine is written for the interested reader and assumes no mathematical knowledge I would like to include one single equation to demonstrate to you the beautiful simplicity of Einstein’s theory. Einstein’s eld
equation is

As remarkably simple as this might look, hidden within this powerful equation are in fact ten equations. Each equation can take many pages of calculations to solve. The left hand side of this equation describes the geometry of space-time, and the right hand side describes the matter and energy content of space-time. To solve this formula one inserts into the right side of the equation how much mass and energy we believe to be in the universe (stars, planets electromagnetic radiation etc) and by solving Einstein’s equation we are told what the geometry of the universe does as a consequence of that matter energy content.

Space-time can do one of three possible things, and each possibility is dependent on your initial guess as to the total mass-energy content of the universe. It can contract, remain static or it can expand. Einstein’s initial discovered after solving the eld equations implied that the universe is expanding. He disliked this result immensely as it was his profound belief that the universe was static, unchanging and eternal. To reconcile his disbelief in the predictions of his equation he added what physicists call a `fudge’ factor. He simply added an extra term to his equation `by hand’ that forced the universe to be static and unchanging. He called this term the `Cosmological Constant’.

Much to Einstein’s dismay, in 1929 the American astronomer Edwin Hubble made a profound discovery. He found that wherever he looked in the night sky, in general the galaxies seemed to be receding from Earth. Not only that, more distant galaxies appeared to be moving away much faster than the closer galaxies. This observation provided evidence to support the recently discovered `big-bang’ theory. Hubble’s discovery was based on something called the cosmological red-shift, which is similar to the well known Doppler-eect on Earth. As a speeding ambulance drives past you, one notices a change in the pitch of the sound of the siren due to a kind of stretching of the sound waves. A similar eect happens to light and it is this phenomenon that reveals to us the motion of the galaxies.

What is particularly strange about this discovery is that on rst glance it implies something very strange. If all the galaxies are moving away from us then that makes us somewhat special? It implies that Earth is located in some location that is of great cosmic signicance.

Of course, Earth is not cosmically signicant and the way to understand what is actually going on is to picture the following. Imagine drawing small dots on the surface of a deflated balloon. Each of the dots represents a galaxy in our universe. Now, as you blow up that balloon it stretches and all of the dots move further and further away from each other. From the perspective of a little creature situated on any of the dots it appears as though all the others dots (galaxies) are rushing away from you. And so, we can imagine space-time as being a fabric upon which all matter and energy is woven upon, and this fabric is currently expanding.

The idea that the universe is expanding has been cosmological dogma for nearly a century but in 1999 astronomers discovered something perhaps more profound than and expanding universe. By observing the cosmological red-shift of distant supernova it was discovered that the universe is actually accelerating! That is was not only expanding, but that the rate of expansion is getting larger. What is particularly profound about this discovery is that some kind of exotic anti-gravitational eld is necessary to account for this acceleration because common gravitational energy, which is ubiquitous throughout the universe, would cause the universe to decelerate. A contemporary term for this exotic eld is `dark energy’. Research into dark energy is very popular today and numerous theoretical explanations exist as to its fundamental nature, but as of yet no commonly accepted theory exist.

My own research involves trying to uncover the nature of dark energy, and I plan to discuss both my ideas, and other popular theories regarding the nature of dark energy in later articles but I hope this short article has given you a glimpse into the exciting eld of cosmology. - Richard Obousy | http://richardobousy.wordpress.com/