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Physik: Das kleinste der großen Rätsel

Die kosmologische Konstante gibt an, wie schnell das Weltall expandiert. Leider ist sie viel ­kleiner, als die Quantentheorie vorhersagt - für Physiker eine enorme Herausforderung.
Im Weltall gibt es zig Milliarden Galaxien, wie dieses Bild des Hubble-Weltraumteleskops zeigt.

In jedem bisschen Nichts gibt es etwas. Wenn man an einer beliebigen Stelle des Weltalls – weit abseits von Planeten, Sternen und Galaxien – in immer kleinere Skalen hineinzoomt, würde man naiverweise erwarten, auf reines Vakuum zu stoßen. Aber das stimmt nicht. Wenn man ganz genau hinsähe, stieße man auf ein wildes Durcheinander aus Teilchen, die plötzlich aus dem Nichts auftauchen und kurz darauf wieder verschwinden.

Der Grund: Die Quantenphysik, unsere Theorie des Allerkleinsten, lässt nichts einfach nicht zu. An einem Punkt in Raum und Zeit kann die Energie niemals exakt null sein; es bleibt immer etwas Spielraum. Die Folge sind »virtuelle« Teilchen, die sich die verfügbare Energie borgen. Meist ploppen sie als Paare aus Materie- und Antimaterie-Teilchen auf, die sich rasch wieder gegenseitig auslöschen.

Die virtuellen Partikel lassen das Vakuum gewissermaßen brodeln – sie drücken dabei jeden Flecken des Weltalls auseinander. Diese Aktivität gilt als die wahrscheinlichste Erklärung für das, was Kosmologen Dunkle Energie nennen. Sie umschreiben damit die Beobachtung, dass sich das Weltall immer schneller ausdehnt, und nicht, wie lange vermutet, entweder statisch ist oder mit einer gleich bleibenden Rate expandiert.

Das Problem mit der Vermutung ist, dass es nicht genug Dunkle Energie zu geben scheint …

Kennen Sie schon …

Spektrum der Wissenschaft – Neue Gesetze für den Kosmos?: Eine alternative Theorie stellt die Gravitation in Frage

Seit Jahrzehnten jagen Physiker der unsichtbaren Dunklen Materie nach – bisher erfolglos. Als alternative Theorie wird die »Modified Newtonian Dynamics«, kurz MOND, diskutiert. Sie stellt die Gesetze der Gravitation in Frage und sorgt für Zündstoff in der Kosmologie. Im Rahmen unserer Serie »Quantengravitation« erläutert der Physiker Manuel Hohmann die Theorie der teleparallelen Gravitation. Ihr zufolge können Raum und Zeit nicht nur gekrümmt, sondern auch anders verformt sein. Weitere Themen: Warum Spiegelorganismen große Risiken bergen und was Landwirte tun können, um Agrarböden zu schützen und zu erhalten.

Sterne und Weltraum – Die Sonne – Expedition in eine heiße Hölle

Unsere seit rund fünf Milliarden Jahren aktive Sonne gibt immer noch Rätsel auf. Mit Hilfe von Raumsonden, die sich ihr mehr als jemals zuvor nähern, sollen sie gelüftet werden – wir informieren Sie über diese Expedition und berichten darüber hinaus über die ESA-Mission Hera zur Erforschung der Doppelasteroiden Didymos und Dimorphos. Im Jahr 2022 gelang es der NASA-Mission DART, die Umlaufbahn des kleineren Dimorphos durch den Aufschlag der Sonde zu verändern. Weiter berichten wir über Funde des Instrumentes DESI, die darauf hindeuten, dass sich die Dunkle Energie wieder abschwächen könnte, und stellen Ihnen die Teleskope auf der Kanareninsel La Palma vor, die auf ihren Vulkanbergen optimale Voraussetzungen und Beobachtungsorte, auch für Amateurastronomen, bietet.

Spektrum Kompakt – Paradox und Dilemma - Ausweglose Situationen in der Mathematik

Das Lösen von Paradoxa hat die Mathematik vorangebracht. Allerdings verstecken sich die Widersprüche auch im Alltag; zum Beispiel in den berühmten Fragen, wieso man so lange auf den Fahrstuhl warten muss, warum die Bahn immer zu spät kommt und wie lang die Grenze zwischen zwei Ländern wirklich ist.

  • Quellen

Carlip, S.: How to hide a cosmological constant. International Journal of Modern Physics D 28, 2019

Kaloper N., Padilla, A.: Vacuum energy sequestering and graviton loops. Physical Review Letters 118, 2017

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