Alternative Theorien zur beschleunigten Expansion des Universums

Was ist das ΛCDM-Standardmodell?

Der überwiegende Teil des Universums (≈70 %) liegt in einer unbekannten Form vor.

Nach dem Standardmodell ΛCDM (Lambda Cold Dark Matter) wird die beschleunigte Expansion des Universums einer Form dunkler Energie zugeschrieben, die allgemein als dunkle Energie bezeichnet wird. Das Standard-ΛCDM-Modell ist das am meisten akzeptierte kosmologische Modell im Jahr 2023. Es beschreibt, dass das Universum zu 68 % aus dunkler Energie, zu 27 % aus dunkler Materie und zu 5 % aus gewöhnlicher Materie besteht. Dunkle Energie ist absolut überall.

Das ΛCDM-Modell ist mit einer Vielzahl von Beobachtungen kompatibel, darunter das Hubble-Gesetz, die Verteilung von Galaxien und die Zusammensetzung des Universums. Es wirft jedoch einige theoretische Probleme auf, darunter die Natur der Dunklen Energie und die Tatsache, dass sie einen so großen Teil des Universums ausmacht.

Die Erklärung kann einfach aus der durch die allgemeine Relativitätstheorie induzierten kosmologischen Konstante stammen, die einen Wert ungleich Null hätte.
Diese Konstante Λ, die Albert Einstein im Februar 1917 zu seinen Gleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie (1915) hinzugefügt hat, erklärt diese Erweiterung, vorausgesetzt, ihr wird ein sehr genauer Wert gegeben.
Für einige Kosmologen ist dies nicht zufriedenstellend, weshalb sie darüber hinausschauen.

Es gibt eine Vielzahl alternativer Theorien oder Erweiterungen des Modells, die diese Beschleunigung auf unterschiedliche Weise erklären wollen.
Diese alternativen Theorien wurden vorgeschlagen, um die Expansion des Universums zu erklären, ohne dass dunkle Energie beteiligt ist. Sie können in zwei Kategorien eingeteilt werden: solche, die die Zusammensetzung des Universums verändern, und solche, die die Gravitationstheorie verändern.

Theorien, die die Zusammensetzung des Universums verändern

• DortQuintessenzgeht von der Existenz eines dynamischen Skalarfeldes aus, das Quintessenzfeld genannt wird und das Universum mit Energie füllt, die sich im Laufe der Zeit entwickelt. Diese Entwicklung kann zu Veränderungen in der Beschleunigung der Expansion des Universums während kosmischer Epochen führen.
• DortK-Benzinimpliziert die Existenz eines dynamischen Skalarfeldes, das das Universum erfüllt. Im Gegensatz zu einem Skalarfeld mit einer einfachen Zustandsgleichung (wie sie mit einem Quintessenzfeld verbunden ist) kann das K-Essenzfeld eine komplexere Zustandsgleichung haben.
• DortPhantomdunkle Energieliegt in einer „Phantom“-Zustandsgleichung, bei der die Dichte der dunklen Energie mit der Zeit zunimmt, was zu einer Beschleunigung der immer schneller werdenden Expansion des Universums führt. Im Gegensatz zu normaler dunkler Energie, die zu einer beschleunigten, aber begrenzten Expansion führt, deutet „dunkle Phantomenergie“ auf eine Expansion hin, die in endlicher Zeit unendlich wird, was interessante und spekulative Auswirkungen auf das endgültige Schicksal des Universums haben könnte.
• DortGekoppelte Quintessenzerklärt die beobachtete Beschleunigung der Expansion des Universums durch die Einführung zusätzlicher Freiheitsgrade im Vergleich zur einfachen kosmologischen Konstante Λ des ΛCDM-Modells.
• DortChaplygin-Gasführt einen mit Chaplygins Zustandsgleichung verbundenen Unterdruck ein. Es könnte zu einer abstoßenden Kraft führen und so die Wirkung dunkler Energie simulieren.
• Janusist eine kosmologische Theorie des Physikers Julian Barbour. Der Schlüsselgedanke besteht darin, zu berücksichtigen, dass Zeit keine grundlegende Größe, sondern ein entstehendes Konzept ist. Barbour schlägt vor, dass die Zeit, die wir wahrnehmen, aus einer bestimmten Symmetrie resultiert, der sogenannten Janus-Symmetrie, die die Vorzugszustände zweier Spiegeluniversen verbindet. Diese beiden Universen werden durch die Theorie beschrieben, und die Janus-Symmetrie verbindet sie so, dass in jedem von ihnen ein Zeitbegriff entsteht.
• Janus-Kleinbasiert auf den gleichen Prinzipien wie Barbours ursprüngliche Theorie, führt jedoch eine neue Hypothese ein. Petits Hypothese ist, dass die negative Metrik der Janus-Theorie mit einer Form von Materie oder Energie verbunden ist, die in einer zusätzlichen Dimension existiert. Diese zusätzliche Dimension bleibt unserer Beobachtung verborgen, interagiert jedoch mit der räumlichen Dimension, die wir wahrnehmen.

Theorien, die die Allgemeine Relativitätstheorie modifizieren

• Die Theorie vonGauss-Bonnetist eine Erweiterung der Allgemeinen Relativitätstheorie, die zusätzliche Terme in die Gravitationsfeldgleichungen einbezieht. Genauer gesagt beinhaltet es den Gauß-Bonnet-Term, der eine besondere Kombination quadratischer Krümmungsterme in der Gravitationswirkung ist.
• Die Theorie vonEinstein-Ætherist ein alternativer Ansatz zur Allgemeinen Relativitätstheorie von Albert Einstein. Es schlägt eine Modifikation der Gravitationstheorie vor, indem ein Vektorfeld namens Ätherfeld eingeführt wird, bei dem es sich um einen mit der Raumzeit verknüpften Einheitsvektor handelt. Diese Theorie wurde entwickelt, um Szenarien zu untersuchen, in denen die Lorentz-Symmetrie (die die Invarianz physikalischer Gesetze unter Lorentz-Transformationen beschreibt) spontan gebrochen werden kann.
• DortKaskadierende Schwerkraftbasiert auf der Idee, dass die von uns beobachtete Raumzeit mehrere zusätzliche Dimensionen enthalten kann, die über die vier Dimensionen hinausgehen, die wir üblicherweise wahrnehmen (drei räumliche Dimensionen und eine zeitliche Dimension). Diese zusätzlichen Dimensionen werden auf einem sehr kleinen Maßstab verdichtet, und ihr Einfluss auf den kosmologischen Maßstab wird in dieser Theorie untersucht.
• Die Fab Fourist eine kosmologische Theorie, die von den Physikern John Moffat und Paul Wesson vorgeschlagen wurde. Es basiert auf der Idee, dass die Expansion des Universums auf das Vorhandensein einer neuen Form von Materie oder Energie zurückzuführen ist, die „Wesson-Materie“ genannt wird.
• Die TheorieGalileonist eine Klasse von Skalarfeldtheorien im Kontext der Schwerkraft, die die Symmetrieeigenschaften von Galileo verallgemeinert. Der Name „Galileon“ rührt von der Tatsache her, dass diese Theorien ähnliche Symmetrien wie die Galileische Bewegung in der klassischen Mechanik aufweisen.
• Die TheorieDGP(Dvali-Gabadadze-Porrati) ist eine Theorie der Schwerkraft, die in den 2000er Jahren von Gia Dvali, Gregory Gabadadze und Massimo Porrati formuliert wurde. Das Hauptmerkmal der DGP-Theorie ist die Einführung zusätzlicher Dimensionen der Raumzeit zusätzlich zu den vier Dimensionen, die wir üblicherweise beobachten (drei räumliche Dimensionen und eine zeitliche Dimension). Diese zusätzlichen Dimensionen werden im Zusammenhang mit der Stringtheorie und den zusätzlichen Dimensionen oft als „Branes“ (kurz für Membranen) bezeichnet.
• Die TheorieBrans-Dickewurde entwickelt, um Möglichkeiten zu erkunden, die über die standardmäßige Einsteinsche Schwerkraft hinausgehen, indem ein zusätzliches Skalarfeld (manchmal auch „Dilaton“ genannt) in die Schwerkraftgleichungen eingeführt wird.
• DortBigravitätist ein theoretischer Vorschlag auf dem Gebiet der Physik, der die Möglichkeit untersucht, dass die Schwerkraft aus der Wechselwirkung zweier unterschiedlicher Gravitationsfelder und nicht nur eines einzigen resultiert.
• Die TheorieHorndeskiist eine spezielle Klasse alternativer Gravitationstheorien, die Skalar-Tensor-Gravitationsmodelle umfasst. Sie wurde 1974 von Gregory Horndeski formuliert und zeichnet sich durch das Vorhandensein einer fünften Kraft aus, die sich von der Standard-Newtonschen Schwerkraft unterscheidet und aus einem Skalarfeld entsteht, das nicht minimal an die Schwerkraft gekoppelt ist.
• Die Theorief(R)ist eine Klasse modifizierter Gravitationstheorien, die Einsteins Gravitation verallgemeinert, indem sie eine beliebige Funktion f(R) in die Feldgleichungen einführt. Die Theorie f(R) geht davon aus, dass die Krümmungskonstante der Allgemeinen Relativitätstheorie eine Funktion der Krümmung der Raumzeit ist. Das bedeutet, dass die Gravitation auf verschiedenen Skalen unterschiedlich sein kann.
• DortMassive Schwerkraftist eine Erweiterung von Einsteins allgemeiner Gravitation, die die Möglichkeit untersucht, dass Teilchen, die für die Übertragung der Gravitationskraft verantwortlich sind, sogenannte Gravitonen, eine Masse ungleich Null haben. Im Gegensatz zur allgemeinen Schwerkraft, bei der Gravitonen als masselos gelten, geht die massive Schwerkraft davon aus, dass diese Teilchen eine bestimmte Masse haben.
• Die Theorie vonRandall Sundrumschlägt eine Erweiterung der üblichen Dimension der Raumzeit durch die Einbeziehung einer zusätzlichen Dimension vor, die oft als „kompakte“ zusätzliche Dimension bezeichnet wird. Die Hauptmerkmale der Theorie werden in zwei Modellen beschrieben, die allgemein als RS1 und RS2 bezeichnet werden.

Zusammenfassend

An Kreativität mangelt es Wissenschaftlern nicht. Es gibt viele andere alternative Theorien im Bereich der theoretischen Physik und Kosmologie, die versuchen, Phänomene wie die Dunkle Energie oder die beschleunigte Expansion des Universums zu erklären. Einige dieser Theorien sind spekulativer als andere und können Auswirkungen haben, die über aktuelle Beobachtungen hinausgehen.
Die Forschung in diesen Bereichen ist aktiv, aber bisher wurde noch keine alternative Theorie allgemein akzeptiert, die eine vollständige und endgültige Erklärung der im Universum beobachteten Phänomene bieten könnte. Sie stellen jedoch einen vielversprechenden Weg dar, die theoretischen Probleme des ΛCDM-Modells zu lösen.