Kosmologische Konstante und Vakuumenergie

Die einfachste Form der Dunklen Energie ist eine konstante Energie des leeren Raums, Einsteins kosmologische Konstante, deren beobachteter Wert jedoch fantastisch kleiner ist, als die Theorie vorhersagt.

Definition

Die kosmologische Konstante ist ein konstanter Term in Einsteins Feldgleichungen, der einer gleichmäßigen Energiedichte des Vakuums mit negativem Druck entspricht; sie wird mit Dunkler Energie identifiziert, erzeugt eine beschleunigte Expansion, und ihre beobachtete Größe liegt viele Größenordnungen unter den naiven theoretischen Erwartungen.

Scope

Dieses Thema behandelt die kosmologische Konstante als Term in Einsteins Gleichungen und ihre Interpretation als Energiedichte des Vakuums, die Art und Weise, wie eine konstante Komponente mit negativem Druck die Beschleunigung antreibt, und das Problem der kosmologischen Konstante, das durch die enorme Diskrepanz zwischen dem beobachteten Wert und den Schätzungen der Quantenfeldtheorie aufgeworfen wird.

Core questions

• Was ist die kosmologische Konstante und wie hängt sie mit der Vakuumenergie zusammen?
• Warum verursacht eine konstante Vakuumenergie eine Beschleunigung?
• Warum ist das Problem der kosmologischen Konstante so gravierend?

Key concepts

• Kosmologische Konstante
• Vakuumenergie
• Negativer Druck
• Zustandsgleichung w gleich minus eins
• Problem der kosmologischen Konstante
• Anthropisches Argument
• Lambda-CDM

Key theories

Vakuumenergie als Lambda

Die Quantenfeldtheorie sagt voraus, dass das Vakuum Energie trägt, die wie eine kosmologische Konstante mit negativem Druck gravitativ wirkt und somit einen natürlichen Kandidaten für Dunkle Energie innerhalb der allgemeinen Relativitätstheorie darstellt.

Das Problem der kosmologischen Konstante

Schätzungen der Vakuumenergie aus der Teilchenphysik übersteigen die beobachtete Dunkle-Energie-Dichte um viele Zehnerpotenzen, eine Diskrepanz, die eines der tiefsten ungelösten Probleme darstellt, das Gravitation und Quantentheorie miteinander verbindet.

Mechanisms

Eine kosmologische Konstante entspricht einer Energiedichte, die sich bei der Expansion des Universums nicht verdünnt; da ihr Druck gleich dem Negativen ihrer Energiedichte ist, führt die zweite Friedmann-Gleichung zu einer beschleunigten Expansion, sobald sie dominiert, während die Summation der Nullpunktenergien von Quantenfeldern einen wesentlich größeren Wert ergibt als beobachtet.

Clinical relevance

Die kosmologische Konstante ist die Grundlage des Standard-Lambda-CDM-Modells und passt zu allen aktuellen Daten, doch die unerklärte Kleinheit ihres Wertes liegt an der Schnittstelle von Kosmologie, Teilchenphysik und Quantengravitation und motiviert Ideen von der Supersymmetrie bis zum Multiversum.

History

Einstein führte die Konstante 1917 ein und bedauerte es später; nach der Entdeckung der Expansion wurde sie weitgehend beiseitegelegt, aber Zeldovich verband sie in den 1960er Jahren mit der Vakuumenergie, Weinberg schärfte das Problem 1989, und die Entdeckung der Beschleunigung im Jahr 1998 rückte einen kleinen positiven Wert wieder in den Mittelpunkt.

Debates

Warum ist Lambda so klein, aber ungleich Null?

Die Erklärung des winzigen, aber ungleich Null liegenden Wertes der kosmologischen Konstante hat zu Vorschlägen geführt, die von unbekannten Kompensationsmechanismen bis zur anthropischen Selektion in einem Multiversum reichen, von denen keiner etabliert ist, was das Problem offen lässt.

Key figures

• Albert Einstein
• Steven Weinberg
• Yakov Zeldovich
• Wolfgang Pauli

Seminal works

• weinberg1989

Frequently asked questions

Ist die kosmologische Konstante dasselbe wie Dunkle Energie?

Die kosmologische Konstante ist die einfachste mögliche Form der Dunklen Energie, eine konstante Vakuumenergie; Dunkle Energie ist der umfassendere Begriff, der auch dynamische Alternativen einschließt, sodass die Konstante ein spezifisches, derzeit bevorzugtes Modell der Dunklen Energie ist.

Warum wird das Problem der kosmologischen Konstante als die schlechteste Vorhersage in der Physik bezeichnet?

Weil naive quantenfeldtheoretische Schätzungen der Vakuumenergie den beobachteten Wert um etwa 120 Größenordnungen übertreffen, eine beispiellose Diskrepanz zwischen Theorie und Beobachtung, die noch kein akzeptierter Mechanismus auflöst.