Das Universum ist vor allem leer

"Deepest image of the universe ever taken", Hubble, 2009 / NASA. Gemeinfrei

Nicht Wurmlöcher, Quasare oder Dunkle-Materie-Halos sind die spannendsten Objekte des Universums: Seine Leere, das Vakuum, entscheidet über unser aller Schicksal

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Die Frage, was leerer Raum ist und ob es so etwas überhaupt gibt, beschäftigt die Forscher schon seit Jahrhunderten. Nach Aristoteles war der Raum jenseits der Mondsphäre mit Quintessenz gefüllt, lateinisch für "fünftes Element". Anders als Feuer, Wasser, Erde und Luft sollte dieser "Äther" als einziges Element unvergänglich sein.

Später war es dann die Fernwirkung - etwa des Lichts - die in den Vorstellungen der klassischen Physik nach einem Transportmedium verlangte. Huygens, der eine erste Wellentheorie des Lichts formuliert hatte, ging zum Beispiel von einem Lichtäther aus, der feste Materie ebenso wie das Weltall durchdringt, und auf dem sich die Lichtwellen ausbreiten.

Erst in der speziellen Relativitätstheorie konnte Einstein dann auf den Äther verzichten, weil er sich von der Idee des absoluten Raums verabschiedete. Für eine kurze Zeit betrachtete man das Vakuum als absolut leer, auch wenn der Raum der Allgemeinen Relativitätstheorie (ART) natürlich physikalische Eigenschaften besitzt, es sich also um kein "Nichts" handelt.

Das All wächst

Das Universum stellte man sich zunächst statisch vor; als man seine Expansion bemerkte, benötigte man für eine passende Lösung der Gleichungen der ART aber doch wieder eine Art Vakuumenergie, der man den Namen kosmologische Konstante gab.

Spätestens mit der Einführung von Quantenfeldtheorien wurden die Dinge kompliziert. Im kleinsten Maßstab müssen, das verlangt die Quantenphysik und das ist erfolgreich nachgewiesen, ständig subatomare Teilchen aus dem Nichts in die Existenz springen, um sich in kürzest möglicher Zeit wieder zu verabschieden, sodass im Mittel dann doch die Energieerhaltung gilt.

Diese virtuellen Teilchen existieren zwar nur kurz, aber sie tragen in ihrem knappen Leben natürlich zum Energiegehalt des Vakuums bei. Wenn man nun aber die Energie aller virtuellen Teilchen zu einem bestimmten Zeitpunkt summiert, dann erhält man einen Wert von 1,4 * 10128 GeV/m3.

Doch welche mittlere Vakuumenergie muss der Raum besitzen, damit das All so wächst, wie das in der Praxis der Fall ist? Der experimentell bestätigte Wert beträgt etwa 4 GeV/m3. Zwischen Theorie und Praxis liegen also über 100 Größenordnungen!

Das Problem der kosmologischen Konstante

Das ist das Problem der kosmologischen Konstante, eine offene Frage, offener geht es kaum. Das Problem besteht darin, dass das Vakuum eine weitaus kompliziertere Struktur hat, als man naiv annehmen könnte, wenn man einfach nur in die Leere des Alls blickt. Es schillert und schlägt Blasen, es verändert sich, je nachdem, aus welcher Perspektive man es sich ansieht.

Das elektromagnetische Vakuum verhält sich anders als das Vakuums der Gravitation, dieses unterscheidet sich vom Vakuum der schwachen Wechselwirkung (das man sich als Kondensat aus über das gesamte All verteilten, nicht lokalisierten Higgs-Teilchen vorstellen kann) und vom Vakuum der starken Wechselwirkung (das ein See aus Quark-Gluonen-Materie im Grundzustand wäre).

Man kann sich das vorstellen wie einen See, der mit unterschiedlichen Flüssigkeiten gefüllt ist. Das Vakuum ist die Oberfläche des Sees. Die Materie hingegen ist die wellenförmige Anregung, die entsteht, wenn Sie Murmeln verschiedener Größen hineinwerfen. Wie diese Welle konkret aussieht, hängt einerseits von der Masse der geworfenen Kugel ab, andererseits von der Viskosität des Sees. Auf einem Wasser-See entstehen andere Anregungen als auf einem See aus Öl, Teer oder Wackelpudding.

Jetzt müssen Sie bloß noch einen klitzekleinen gedanklichen Sprung vollführen und sich den See als quantenphysikalische Überlagerung aller möglichen See-Varianten vorstellen, die sich auch noch dauernd ineinander umwandeln - dann haben Sie eine realistische Idee vom Aufbau des Vakuums. Geschafft? Glückwunsch! Ich steige immer beim Wackelpudding aus und gehe zum Kühlschrank.

"Running Vacuum"-Modelle

Die gute Nachricht: Um die Entwicklung des Universums einigermaßen vorherzuahnen, brauchen wir den genauen Aufbau des Vakuums gar nicht zu kennen. Es reicht, wenn wir ein hinreichend genaues Modell finden, das Vergangenheit und Gegenwart im Rahmen der Messgenauigkeit beschreibt. Dann können wir davon ausgehen, dass auch die vom Modell über die Zukunft getroffenen Aussagen zuverlässig sein sollten.

Auch damit befassen sich Physiker sinnvollerweise, etwa in einem Paper im Astrophysical Journal. Hier interessieren sich drei spanische Forscher speziell für kosmologische Modelle, die - anders als das ΛCDM-Modell, das Standardmodell der Kosmologie - von einer sich mit der Zeit und in Abhängigkeit von der Hubble-"Konstanten" verändernden Vakuum-Energiedichte ausgehen.

Solche "Running Vacuum"-Modelle nehmen zum Teil sogar an, dass die Gravitationskonstante G sich verändert - oder sie verzichten gar auf die Masse-Erhaltung. Die aktuelle Arbeit der Spanier befasst sich nicht damit, die physikalische Haltbarkeit dieser Modelle zu diskutieren. Stattdessen nehmen sie einfach die gegebenen Formeln und Parameter und vergleichen diese mit den tatsächlichen Werten, nach der Devise, dass eine Theorie nicht dann gut ist, wenn wir sie verstehen, sondern wenn sie die Wirklichkeit beschreibt.

Das Ergebnis ist für die Theoretiker hinter den Running-Vacuum-Modellen ermutigend: Die getesteten Modelle mit veränderlicher kosmologischer "Konstante" sind der Standard-Theorie deutlich darin überlegen, die Wirklichkeit so wiederzugeben, wie sie nach unseren eigenen Messungen aussieht. Allerdings reicht die Genauigkeit des Abgleichs noch nicht ganz, um von einem sicheren Ergebnis zu sprechen. Die Forscher hoffen deshalb auf genauere Messungen der von ihnen verwendeten Parameter.