Kosmologische Konstante

Die kosmologische Konstante ist ein zusätzlicher Term in den Einsteinschen Feldgleichungen, proportional zur Metrik, der sich wie eine gleichmäßige Energiedichte des leeren Raums verhält und eine beschleunigte kosmische Expansion antreibt.

Definition

Die kosmologische Konstante, bezeichnet als Lambda, ist ein konstanter Term, der den Einsteinschen Feldgleichungen hinzugefügt wird und eine gleichmäßige Energiedichte sowie einen negativen Druck gleicher Größenordnung zum Vakuum beiträgt, was der einfachsten Form der Dunklen Energie entspricht.

Scope

Dieses Thema behandelt die algebraische Form des Terms der kosmologischen Konstante und ihre Konsistenz mit der Energie-Impuls-Erhaltung, ihre Interpretation als Vakuumenergie mit negativem Druck, Einsteins ursprüngliche Motivation für ein statisches Universum und seinen späteren Widerruf, ihre Wiederbelebung zur Erklärung der beobachteten kosmischen Beschleunigung und das Problem der kosmologischen Konstante, das sich aus ihrer enormen Diskrepanz zu den Schätzungen der Quantenfeldtheorie ergibt.

Core questions

• Warum kann ein konstanter Term den Einsteinschen Gleichungen hinzugefügt werden, ohne die Erhaltungsgesetze zu verletzen?
• Wie erzeugt eine kosmologische Konstante eine beschleunigte statt einer verzögerten Expansion?
• Warum ist der beobachtete Wert so viel kleiner, als die Quantenfeldtheorie vorhersagt?

Key concepts

• Lambda-Term
• Vakuumenergiedichte
• Negativer Druck
• Beschleunigte Expansion
• Dunkle Energie
• Problem der kosmologischen Konstante

Key theories

Vakuumenergie-Interpretation

Eine kosmologische Konstante ist äquivalent zu einer gleichmäßigen Vakuumenergiedichte mit einem Druck, der gleich dem Negativ dieser Dichte ist, wodurch sie einen abstoßenden Gravitationseffekt beiträgt, der die Expansion des Universums beschleunigt.

Problem der kosmologischen Konstante

Die Quantenfeldtheorie sagt eine Vakuumenergie voraus, die viele Zehnerpotenzen größer ist als der winzige beobachtete Wert, eine unerklärte Diskrepanz, die eines der tiefsten Rätsel darstellt, das Gravitation und Quantenphysik verbindet.

Clinical relevance

Beobachtungen entfernter Supernovae, des kosmischen Mikrowellenhintergrunds und der großräumigen Struktur sind konsistent mit einer kleinen positiven kosmologischen Konstante, die den größten Teil des gegenwärtigen Energiebudgets des Universums ausmacht; ob es sich um eine wahre Konstante oder eine dynamische Dunkle Energie handelt, ist eine zentrale Frage der Beobachtungskosmologie.

History

Einstein führte Lambda 1917 ein, um ein statisches Universum zu erhalten, und gab es dann nach Hubbles Entdeckung der kosmischen Expansion auf, wobei er es Berichten zufolge als seinen größten Fehler bezeichnete; es kehrte 1998 entscheidend zurück, als Supernova-Surveys zeigten, dass sich die Expansion beschleunigt, was die Konstante als führendes Modell der Dunklen Energie wiederbelebte.

Debates

Konstante versus dynamische Dunkle Energie

Ob die kosmische Beschleunigung durch eine wahre kosmologische Konstante oder durch ein sich langsam entwickelndes Feld (Quintessenz) verursacht wird, ist beobachtungstechnisch offen; ihre Unterscheidung erfordert eine präzise Messung, wie sich die Dichte der Dunklen Energie, falls überhaupt, über die kosmische Zeit ändert.

Key figures

• Albert Einstein
• Willem de Sitter
• Sean Carroll

Seminal works

• carroll2001
• carroll2004

Frequently asked questions

Ist die kosmologische Konstante dasselbe wie Dunkle Energie?

Die kosmologische Konstante ist die einfachste mögliche Form der Dunklen Energie, eine Vakuumenergie mit fester Dichte; 'Dunkle Energie' ist der breitere Begriff, der auch dynamische Modelle umfasst, sodass alle kosmologischen Konstanten Dunkle Energie sind, aber nicht jede Dunkle Energie eine Konstante sein muss.

Warum wurde das Hinzufügen der Konstante einst als Fehler bezeichnet?

Einstein fügte sie hinzu, um ein statisches Universum zu erzwingen, die damals vorherrschende Annahme; hätte er den unmodifizierten Gleichungen vertraut, hätte er die kosmische Expansion möglicherweise vor ihrer Beobachtung vorhersagen können, weshalb er den Schritt später bedauerte, obwohl sich der Term letztendlich als real erwies.