Forscher vermuten ersten Beweis für Stringtheorie in dunkler Energie

Seit Jahrzehnten rätseln Forscherinnen und Forscher über die Dunkle Energie – eine geheimnisvolle Kraft, die das Universum immer schneller expandieren lässt. Eine neue Studie liefert nun ein Modell, das sowohl mit aktuellen Beobachtungsdaten als auch mit der bekannten Stringtheorie übereinstimmt. Die Studie könnte damit den ersten experimentellen Beweis für die Richtigkeit dieses theoretischen Konstrukts liefern.

Ein neues Bild der Raumzeit

Die Stringtheorie ist einer der bekanntesten Versuche, Gravitation und Quantenmechanik zu vereinen. Sie beschreibt die fundamentalen Teilchen nicht als punktförmig, sondern als winzige schwingende Fäden – so genannte Strings. Diese können je nach Schwingungszustand unterschiedliche Teilcheneigenschaften annehmen.

Ein Forscherteam aus den USA und Südafrika hat nun ein theoretisches Modell vorgelegt, das auf diesen Annahmen beruht. Es beschreibt die Raumzeit nicht als glatt und kontinuierlich, sondern als grundsätzlich „quantenartig“. In diesem Modell hängt das Ergebnis einer Berechnung davon ab, in welcher Reihenfolge Raum- und Zeitkoordinaten verwendet werden – ein Verhalten, das aus der Quantenphysik bekannt ist.

„Die Koordinaten der Raumzeit pendeln nicht“, erklären die Forschenden. Das bedeutet: Anders als in der klassischen Physik können Raum und Zeit auf kleinster Skala nicht unabhängig und beliebig vertauscht werden.

Dunkle Energie aus der Struktur der Raumzeit

Diese neue Sicht auf die Raumzeit hat tiefgreifende Folgen. Sie erlaubt es den Forschenden, die Existenz der dunklen Energie direkt aus der Theorie heraus abzuleiten – ohne zusätzliche Annahmen oder willkürliche Parameter.

Bemerkenswert ist: Das Modell sagt nicht nur eine beschleunigte Expansion des Universums voraus, sondern auch, dass diese Beschleunigung im Laufe der Zeit abnimmt. Genau dieses Verhalten wurde kürzlich durch das Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) beobachtet.

Michael Kavic, Mitautor der Studie und Physiker an der SUNY Old Westbury, sagt dazu: „Aus der Perspektive unserer Arbeit könnte man das DESI-Ergebnis als den ersten beobachtbaren Beweis für die Stringtheorie betrachten – und vielleicht sogar als ersten Hinweis auf die Quantengravitation.“

DESI-Daten als möglicher Schlüssel

DESI ist ein Instrument, das groß angelegte Kartierungen des Universums durchführt, um die Entwicklung der kosmischen Struktur zu analysieren. Die aktuellen Daten zeigen, dass die dunkle Energie offenbar nicht konstant ist – anders als vom Standardmodell der Kosmologie angenommen. Vielmehr scheint ihre Wirkung mit der Zeit nachzulassen.

Diese Beobachtung stellt klassische Theorien vor ein Problem. Nach bisherigen Modellen müsste die Vakuumenergie – ein möglicher Ursprung der dunklen Energie – konstant bleiben. Das neue Stringtheorie-Modell dagegen liefert eine natürliche Erklärung für diese zeitliche Veränderung.

Verbindung von kleinsten und größten Skalen

Ein weiterer interessanter Aspekt des Modells: Die berechnete Dichte der dunklen Energie hängt gleichzeitig von zwei extrem unterschiedlichen Skalen ab – der Planck-Länge und der Größe des Universums. Die Planck-Länge ist die kleinste sinnvolle Längeneinheit in der Physik, etwa 10⁻³³ Zentimeter. Das Universum hingegen ist Milliarden Lichtjahre groß.

Dass sich beide Größen in der gleichen Gleichung wiederfinden, ist äußerst ungewöhnlich. Es legt nahe, dass dunkle Energie nicht einfach nur ein Nebeneffekt der Quantenmechanik ist, sondern tief mit der Struktur der Raumzeit verknüpft ist.

Kavic formuliert es so: „Dies deutet auf eine tiefere Verbindung zwischen der Quantengravitation und den dynamischen Eigenschaften der Natur hin, die bisher als konstant galten.“

Experimente in Aussicht

Trotz der theoretischen Eleganz des Modells bleibt eine experimentelle Bestätigung notwendig. Das Forschungsteam schlägt konkrete Experimente vor, um die Theorie zu testen. Dabei geht es insbesondere um sogenannte Interferenzeffekte.

Interferenzen entstehen, wenn sich Wellen – etwa Lichtwellen – überlagern. In der Quantenmechanik lassen sich solche Muster gut beschreiben. Die Quantengravitation hingegen könnte komplexere Interferenzen erzeugen, die in der Standardphysik nicht vorkommen.

„Unser Ansatz zur Quantengravitation hat viele Auswirkungen“, erklärt Djordje Minic von der Virginia Tech. „Ein Beweis dafür wäre die Erkennung komplizierter Quanteninterferenzmuster, die in der herkömmlichen Quantenphysik nicht möglich sind.“

Laut den Forschenden könnten diese Experimente in den nächsten drei bis vier Jahren durchgeführt werden – mit heutigen Technologien und im Labormaßstab.

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