Sternengeschichten

Das fünfte Element in der modernen Physik

Sternengeschichten Folge 596: Die Quintessenz und die Dunkle Energie

Wenn wir von der "Quintessenz" sprechen, dann meinen wir damit das "Wesentliche" oder das "Wichtigste". Wörtlich bedeutet der lateinische Ausdruck das "Fünfte Seiende", die "quinta essentia" beziehungsweise etwas freier übersetzt das "Fünfte Element". Ursprünglich gemeint war damit in der antiken griechischen Philosopie der Äther, also ein fünftes Element neben Wasser, Feuer, Erde und Luft. Diese vier sollten nach damaliger Auffassung ja die Bausteine aller irdischen Dinge sein. Aber am Himmel, womit damals alles gemeint war, was sich weiter entfernt als der Mond befindet, sollte es etwas anderes geben; das fünfte Element, den Äther. Im Gegensatz zu den irdischen Elementen, die sich verändern können, sollte der Äther ewig sein, zeitlos und unveränderlich. Der Äther ist nicht heiß oder kalt, nicht feucht oder trocken sondern himmlisch perfekt und darüber hinaus bewegt sich alles, was aus Äther besteht, immer im Kreis. Damit hatte man eine Erklärung dafür gefunden, warum sich die Himmelskörper bewegen, die gut ins damalige philosophische Bild gepasst hat.

Später, im Mittelalter und der Neuzeit wurde der Äther dann umgedeutet zu einem Material, dass den ganzen Weltraum erfüllt; das Material, in dem sich auch das Licht ausbreiten kann. Dass es so etwas nicht braucht, konnte erst zu Beginn des 20. Jahrhunderts gezeigt werden, als entsprechende Experimente belegt haben, dass nirgendwo eine Spur des Äthers zu finden ist und Albert Einstein mit seiner Relativitätstheorie gezeigt hat, dass es so etwas auch nicht braucht.

Ein paar Jahrzehnte später, gegen Ende des 20. Jahrhunderts, ist die Quintessenz dann aber wieder in die Physik zurück gekehrt. Mit dem antikel Konzept hat sie aber nicht mehr viel zu tun; nur der Name ist noch der selbe. Und genau diese moderne Quintessenz werden wir uns heute ein wenig genauer ansehen. Wir müssen dafür wieder in die dunklen Bereiche des Universums eindringen und uns mit den fundamentalen Eigenschaften des Kosmos beschäftigen.

Wenn wir wissen wollen, was die moderne Kosmologie mit "Quintessenz" meint, müssen wir bei der dunklen Energie anfangen. Und dafür noch einmal daran erinnern, dass sich das Universum ausdehnt. Das wissen wir seit den 1920er Jahren, als Edwin Hubble und seine Kollegen beobachtet haben, dass sich alle Galaxien voneinander entfernen. Nicht, weil sie sich so schnell DURCH den Raum bewegen, sondern weil der Raum selbst immer mehr wird. Zwischen den Galaxien wird der Raum immer größer und größer und das führt dazu, dass sie sich voneinander entfernen und zwar um so schneller, je weiter sie voneinander entfernt sind - denn desto mehr Raum ist zwischen ihnen und desto mehr kann sich ausdehnen.

Dieser Befund war gegen Ende des 20. Jahrhunderts sowohl durch Beobachtungsdaten als auch durch theoretische Grundlagen gut bestätigt und soweit verstanden. Dann aber ist etwas überraschendes passiert. In den 1990er Jahren wollte man bestimmen, wie stark sich die Expansion des Universums im Laufe der Zeit verlangsamt. Denn der Expansion wirkt ja die Gravitationskraft entgegen. Die gesamte Masse im Universum zieht sich gegenseitig an und im Laufe der Zeit sollte sich die Expansion dadurch verlangsamen. Vielleicht sogar so weit, dass der ganze Kosmos irgendwann wieder in sich zusammenfällt. Ich werde jetzt nicht erklären, wie man die Beobachtungen gemacht hat, um zu messen, wie sich die Expansionsrate im Laufe der Zeit verändert, das habe ich zum Beispiel in Folge 26 ausführlich erklärt. Man kann es auf jeden Fall tun und das Ergebnis, zu dem mehrere Arbeitsgruppen damals unabhängig voneinander gekommen sind, war äußerst unerwartet. Die Expansion des Universums wird nicht langsamer. Sie beschleunigt sich! Das war genau das Gegenteil von dem, was man dachte, das passiert. Aber die Beobachtungsdaten waren klar: Etwas sorgt dafür, dass sich das Universum immer schneller ausdehnt.

Wir wissen nicht, was dieses "Etwas" ist und haben es mit dem Begriff "Dunkle Energie" bezeichnet. Es gibt natürlich jede Menge Hypothesen zur Natur der dunklen Energie. Eine davon ist die "kosmologische Konstante"; ich hab davon in Folge 250 ein wenig mehr erzählt. Im wesentlichen handelt es sich dabei um einen mathematischen Ausdruck, der genau das beschreibt, was man beobachtet: Eine Kraft, die der Gravitation entgegen wirkt und für eine beschleunigte Ausdehnung des Universums sorgt. Physikalische Hypothesen, die erklären wollen, wie das funktionieren soll, stellen sich oft vor, dass es sich um eine Art Energie handelt, die im Raum selbst steckt. Je mehr Raum da ist, desto mehr dieser abstoßenden Energie gibt es und je mehr sich das Universum dadurch ausdehnt, desto mehr Raum und mehr Energie ist da, und so weiter. Die Energie im Raum sorgt dafür, dass das Universum sich immer schneller und schneller ausdehnt. Wie gesagt, das ist nur eine Hypothese, wir wissen nicht, ob das wirklich so ist.

Die kosmologische Konstante hat aber nichts mit der Quintessenz zu tun. Dafür müssen wir noch kurz einmal auf das schauen, was in der Kosmologie mit "Zustandsgleichung" gemeint ist. Etwas, was in der Praxis enorm kompliziert ist, und was ich hier in dieser Folge nur sehr, sehr vereinfacht erklären werde. Im Wesentlichen dreht sich alles um eine Zahl, die aus dem Verhältnis von Druck zu Energiedichte gebildet wird.

Schauen wir noch mal kurz auf die Gravitation. Die wirkt immer nur anziehend, im Gegensatz zum Beispiel zur elektromagnetischen Kraft gibt es keine positiven und negativen Gravitationsladungen, die sich mal anziehen und abstoßen, so wie bei Magneten. Masse zieht sich immer an, Abstoßung gibt es nicht. Wenn wir die Gravitation ansehen, so wie es Isaac Newton getan hat, dann spielt auch der Druck keine Rolle. In Newtons Gravitationsgesetzt gibt es nur die Masse und den Abstand, den Massen haben. Aber wir wissen ja auch, dass Albert Einstein die Gravitation besser und genauer beschrieben hat als Newton. Und in Einsteins Gravitationsgesetz kommt der Druck durchaus vor. Denn Einstein ja mit seiner berühmten Formel E=mc² festgestellt, dass Masse und Energie ineinander umgewandelt werden können. Und dass deswegen nicht nur Masse eine Gravitationskraft ausübt, sondern auch Energie. Und Druck ist eine Form von Energie. Man muss also jetzt den Druck quasi doppelt berücksichtigen: Einmal, weil der Druck auf das Material wirken kann, wie es eine Druckkraft eben tut. Und dann aber auch, weil auch der Druck eine Gravitationskraft erzeugt.

Unter normalen Bedingungen ändert das nicht viel. Wenn wir wissen wollen, wie groß die Gravitationskraft ist, dann bestimmen wir die Energiedichte, also vereinfacht gesagt die Menge an Masse und Energie, die wir haben. Und den Druck. Der ist bei normaler Materie, bei normaler Strahlung positiv. Wir haben also eine positive Energiedichte und einen positiven Druck und damit auch eine Gravitationskraft, die positiv ist, also anziehend wirkt. Was aber, wenn der Druck negativ ist? Wenn er das ausreichend stark ist, kann die resultierende Gravitationskraft auch negativ werden, also abstoßend wirken.

Wie soll man sich einen negativen Druck vorstellen? Auch das kann ich nur ganz vereinfacht erklären. Der Physiker Paul Steinhardt, von dem wir gleich mehr hören werden, hat das einmal so erklärt: Man kann sich vorstellen, dass die Atome in einem Gas so miteinander wechselwirken, dass das Gas sich nicht ausdehnt, sondern quasi kollabiert. Wenn man damit einen Ballon füllt, dann würde der sofort in sich zusammenfallen, denn wenn der Druck im Ballon negativ ist, und außen positiv (oder null) ist, dann bleibt ihm nichts anderes übrig. Wenn es jetzt aber nicht um einen Ballon geht, sondern um den gesamten Raum, dann gibt es keinen Außendruck, weil es kein außen gibt. Der negative Druck hat also keinen direkten Effekt mehr, seine einzige Auswirkung besteht darin, eine negative Gravitationskraft zu verursachen. Der Raum dehnt sich also aus. Wie gesagt, das ist alles nicht so leicht vorstellbar, aber man kann es auf jeden Mal mathematisch exakt formulieren.

Zurück zu der Zahl, die aus dem Verhältnis von Druck zu Energiedichte gebildet wird. Wenn der Druck jetzt negativ ist, dann ist logischerweise auch diese Zahl negativ, denn die Energiedichte sollte ja positiv sein. Jetzt kommt es darauf an, wie genau das Verhältnis negativ ist. Bei der Kosmologischen Konstanten ist das Verhältnis immer gleich, nämlich -1. Wenn das Verhältnis aber einfach "nur" negativ ist, und sich darüber hinaus im Laufe der Zeit ändern kann, dann kriegt man eine andere Form der Dunklen Energie. Und die haben der vorhin erwähnte Paul Steinhardt und seine Kollegen Robert Caldwell und Rahul Dave in einer wissenschaftlichen Arbeit aus dem Jahr 1998 mit dem Begriff "Quintessenz" bezeichnet. Sie beziehen sich damit auf das, was die Energiedichte des Universums ausmacht: Die normale Materie, die dunkle Materie, die Neutrinos und die Strahlung und zusätzlich zu diesen vier Komponenten haben sie die "Quintessenz" als fünfte Komponente eingeführt.

Im Gegensatz zur Kosmologischen Konstante ist die Quintessenz dynamisch. Sie kann sich zeitlich verändern und sie ist auch nicht überall im Raum gleichmäßig verteilt. Das klingt einerseits ein wenig komplizierter, als es bei der kosmologischen Konstante ist. Da war es ja einfach: In jedem Stück Raum steckt eine bestimmte Menge an Energie; die sorgt dafür, dass sich der Raum ausdehnt und je mehr Raum, desto mehr Ausdehnung gibt es. Das ist einfach, aber man hat auch nicht viel Spielraum. Wir dürfen nicht vergessen, dass wir ja messen können, wie sich das Universum ausdehnt. Und wenn man die dunkle Energie erklären will, muss das zu den Beobachtungen passen. Wäre die dunkle Energie in der Frühzeit des Universums zu groß gewesen, dann hätte sich alles so schnell ausgedehnt, dass gar keine Galaxien entstehen hätten können. Sie darf aber auch nicht zu gering sein, denn sonst würden wir ihre Wirkung ja heute nicht mehr beobachten. Wenn man, wie bei der Kosmologischen Konstant, quasi nur ein Rädchen hat, das man einstellen kann, dann muss es zu Beginn des Universums auf genau dem richtigen Wert eingestellt sein, und man muss erklären können, warum das so war. Wenn man eine dynamischere Theorie hat, wie die Quintessenz, hat man zumindest dieses Problem nicht, denn da kann sich der Effekt der dunklen Energie verändern, in Wechselwirkung mit der Materie im Universum und so unter Umständen ganz von selbst auf den Wert kommen, den wir heute beobachten.

Was aber nicht heißt, dass es keine anderen Probleme gibt. Die bisherigen Beobachtungen deuten alle darauf hin, dass die dunkle Energie eben NICHT dynamisch ist, sondern sich tatsächlich wie eine kosmologische Konstante verhält. Wir haben auch noch keine wirklich brauchbaren Ideen, was die Natur der Quintessenz sein könnte. Nur weil es sich mathematisch gut formulieren lässt, folgt ja noch nicht, dass es in echt auch existieren muss. Dazu muss uns erst mal etwas einfallen, aus dem die Quintessenz real bestehen kann. Aber das selbe Problem haben wir auch bei der kosmologischen Konstante.

Am Ende müssen wir festhalten: Die Quintessenz ist, so wie ihre antiken Vorgänger, immer noch höchst mysteriös.