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Ist der leere Raum voll?

Dunkle Energie als Quantenfluktuationen im Vakuum

Das Vakuum des Weltraums erscheint uns als der Inbegriff der Leere: Keine Luft, keine Materie, keine Energie – eben nichts. Aber dieser Eindruck täuscht – und bildet die Basis für zwei verschiedene Erklärungsansätze der Dunklen Energie: die Vakuumenergie und das Quintessenzfeld.

Der Quantnetheorie nach entstehen auch im scheinbar leeren Raum ständig virtuelle Teilchen, die sich gegenseitig wieder auslöschen. © Podbregar

Vakuumenergie und virtuelle Teilchen

Der erste Ansatz stammt aus der Quantentheorie. Nach klassischer Sichtweise ist das Vakuum der energieärmste Zustand, quasi die Nulllinie des Kosmos. Doch quantenphysikalisch betrachtet enthält selbst das Vakuum noch eine Minimalenergie, erzeugt durch Fluktuationen auf der Quantenebene. Diese wiederum führen dazu, dass im Vakuum immer wieder virtuelle Teilchen entstehen. Diese Paare aus Teilchen und Antiteilchen tauchen plötzlich auf, nur um sich Sekundenbruchteile später wieder auszulöschen. Ihre Existenz ist dabei viel zu kurz, um sie messen zu können.

„Nichts ist daher voller als das Quantenvakuum, seine Fluktuationen tragen fundamental zu den Werten bei, die wir beobachten und messen“, erklärt Joan Solà von der Universität Barcelona. Und ähnlich wie es die Kosmologische Konstante erfordert, ist auch diese Vakuumenergie eine intrinsische Eigenschaft des Raumes selbst. Sie ist daher überall gleich stark und ändert sich auch in der Zeit nicht. Diese Vakuumenergie könnte daher nach Ansicht einiger Physiker genau das sein, was die Expansion des Raumes vorantreibt – die Dunkle Energie.

Galaxiencluster Abell 2744: Im frühen Universum war zwischen ihm und anderen Clustern sehr viel weniger leerer Raum © NASA/Hubble

Mehr Raum – mehr Vakuumenergie

Und sie könnte auch erklären, warum die beschleunigte Ausdehnung erst vor einigen Milliarden Jahren begann: Im frühen Universum war die Materie sehr viel dichter gepackt als heute, zwischen den Galaxien und Galaxienclustern war daher sehr viel weniger freier Raum. Dadurch gab es auch weniger Vakuumenergie im Verhältnis zur Materie. Als Folge dominierte die Wirkung der Gravitation und sorgte für eine langsame Expansion. Inzwischen aber hat sich das Universum weiter ausgedehnt und mit ihm der Raum und damit die Quelle der Vakuumenergie. Wie für die Dunkle Energie postuliert, gewann sie daher die Überhand und wirkt nun beschleunigend auf die kosmische Ausdehnung.

Bisher gibt es mit diesem Modell aber ein entscheidendes Problem: Wenn Physiker ausrechnen, wie hoch die Vakuumenergie sein könnte, dann kommen sie auf Werte, die um gigantische 10 hoch 120 Mal höher liegt als alles, was für die Dunkle Energie in Frage kommt. Diese Diskrepanz kann die Quantentheorie bisher nicht erklären oder aus der Welt schaffen.

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Hilfe vom Higgsfeld?

Eine Chance dazu sehen aber immerhin der Physiker Lawrence Krauss von der Arizona State University und seine Kollegen. Denn er vermutet, dass Skalarfelder wie das Higgsfeld eine wichtige Einflussgröße für die Vakuumenergie sein könnten. Ihre Wechselwirkungen könnten dafür sorgen, dass letztlich genau die Menge an Energie entsteht, die der als Dunkle Energie beobachteten entspricht.

„Unsere Berechnungen demonstrieren, dass diese sehr geringe Energiemenge durch eine nur kleine Erweiterung des Standardmodells der Teilchenphysik erzeugt werden kann“, so Krauss. Aber auch das sieht er nur als einen ersten Schritt, um den Geheimnissen der Dunklen Energie näher zu kommen. Von einem Beleg für die Vakuumenergie als Ursache für die Dunkle Energie ist auch das noch weit entfernt.

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Nadja Podbregar
Stand: 02.05.2014

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In den Schlagzeilen

Inhalt des Dossiers

Dunkle Energie
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Das Eigentliche ist unsichtbar
Die Dunkle Seite unseres Universums

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Ist der leere Raum voll?
Dunkle Energie als Quantenfluktuationen im Vakuum

Ein exotisches Feld
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