Die Zahl, die Albert Einstein einst seinen größten Fehler nannte, könnte endlich Sinn ergeben. Physiker rätseln seit langem über die kosmologische Konstante, einen Wert, der die Energie beschreibt, die die beschleunigte Expansion des Universums antreibt. Die Quantentheorie sagt voraus, dass diese Zahl astronomisch groß sein sollte, fast unendlich. Doch tatsächliche Beobachtungen zeigen, dass sie bemerkenswert klein ist. Nun haben Forscher der Brown University in den USA einen möglichen Grund dafür gefunden.
Eine verborgene Verbindung zwischen Schwerkraft und einem exotischen Material
Das Team entdeckte, dass die Mathematik hinter einer einfachen Version der Quantengravitation stark mit der Mathematik des Quanten-Hall-Effekts übereinstimmt. Das ist ein seltsamer Zustand der Materie, bei dem die elektrische Leitfähigkeit auf extrem präzise Werte festgelegt wird und dort bleibt, selbst wenn das Material Defekte aufweist. Die Stabilität kommt von der Topologie, einem Zweig der Mathematik, der die zugrunde liegende Form eines Systems untersucht. Die Forscher argumentieren, dass ein ähnliches topologisches Merkmal im Chern-Simons-Kodama-Zustand auftritt, einem vorgeschlagenen Grundzustand der Quantengravitation.
Wie die Topologie ein unendliches Energieproblem zähmt
Nach der Quantenfeldtheorie sollte der leere Raum von winzigen Fluktuationen erfüllt sein, die enorme Energie zur kosmologischen Konstante beitragen. Aber das Brown-Team zeigte, dass diese Quantenstörungen träge werden, wenn die Raumzeit selbst eine bestimmte nicht-triviale Topologie aufweist. Sie lassen den Wert der Konstante nicht mehr explodieren. Die Topologie schützt die kosmologische Konstante im Wesentlichen vor den störenden Auswirkungen von Quantenfluktuationen und hält sie stabil und klein.
Einsteins ursprüngliche Lösung und die neue Wendung
Einstein fügte die kosmologische Konstante ursprünglich seinen Gleichungen der allgemeinen Relativitätstheorie hinzu, weil er dachte, das Universum sei statisch. Er brauchte eine abstoßende Kraft im leeren Raum, um zu verhindern, dass seine Gleichungen ein kollabierendes Universum vorhersagen. Später, als Beweise zeigten, dass das Universum expandiert, nannte er die Konstante angeblich seinen größten Fehler. Aber moderne Beobachtungen haben sie wiederbelebt. Das Universum expandiert nicht nur, es beschleunigt sich. Die kosmologische Konstante ist der einfachste Weg, diese Beschleunigung zu beschreiben, aber ihr winziger beobachteter Wert bleibt ein tiefes Rätsel.
Die Studie, veröffentlicht in Physical Review Letters, wurde von Stephon Alexander, Physikprofessor an der Brown University, zusammen mit Aaron Hui und Heliudson Bernardo vom Brown Theoretical Physics Center verfasst. Ihre Arbeit behauptet nicht, das Problem vollständig gelöst zu haben. Sie bietet eine mathematische Verbindung, die auf eine vollständige Erklärung hindeuten könnte. Die Idee, dass die Form der Raumzeit selbst die kosmologische Konstante klein halten könnte, ist ein neuer Weg für Physiker, den es zu erkunden gilt.
