In der Kosmologie ist die kosmologische Konstante (normalerweise mit dem griechischen Großbuchstaben Lambda : Λ bezeichnet), alternativ Einsteins kosmologische Konstante genannt, der konstante Koeffizient eines Termes, den Albert Einstein vorübergehend zu seinen Feldgleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie hinzugefügt hat. Später entfernte er es. Viel später wurde sie wiederbelebt und als Energiedichte des Raums oder Vakuumenergie, die in der Quantenmechanik entsteht, neu interpretiert. Es ist eng mit dem Konzept der dunklen Energie verbunden.
Einstein führte die Konstante ursprünglich 1917 ein, um die Wirkung der Schwerkraft auszugleichen und ein statisches Universum zu erreichen, eine Vorstellung, die zu dieser Zeit die akzeptierte Ansicht war. Einstein gab die Konstante 1931 auf, nachdem Hubble das expandierende Universum bestätigt hatte. Von den 1930er bis in die späten 1990er Jahre stimmten die meisten Physiker Einsteins Zurücknahme zu und nahmen an, die kosmologische Konstante sei gleich Null. Das änderte sich mit der überraschenden Entdeckung im Jahr 1998, dass sich die Expansion des Universums beschleunigt, was die Möglichkeit eines positiven Wertes ungleich Null für die kosmologische Konstante impliziert.
Studien haben seit den 1990er Jahren gezeigt, dass etwa 68 % der Masse-Energie-Dichte des Universums auf sogenannte dunkle Energie zurückzuführen sind. Die kosmologische Konstante Λ ist die einfachste mögliche Erklärung für dunkle Energie und wird im aktuellen Standardmodell der Kosmologie, bekannt als ΛCDM-Modell, verwendet.
Gemäß der Quantenfeldtheorie (QFT), die der modernen Teilchenphysik zugrunde liegt, wird der leere Raum durch den Vakuumzustand definiert, der eine Ansammlung von Quantenfeldern ist. Alle diese Quantenfelder weisen Schwankungen in ihrem Grundzustand (niedrigste Energiedichte) auf, die sich aus der überall im Raum vorhandenen Nullpunktsenergie ergeben. Diese Nullpunktsfluktuationen sollten als Beitrag zur kosmologischen Konstante Λ wirken, aber bei Berechnungen erzeugen diese Fluktuationen eine enorme Vakuumenergie. Die Diskrepanz zwischen der theoretisierten Vakuumenergie aus der Quantenfeldtheorie und der beobachteten Vakuumenergie aus der Kosmologie ist eine Quelle großer Streitigkeiten, wobei die vorhergesagten Werte die Beobachtung um etwa 120 Größenordnungen übersteigen, eine Diskrepanz, die als "die schlechteste theoretische Vorhersage in der Geschichte" bezeichnet wurde der Physik". Dieses Problem wird als kosmologisches Konstantenproblem bezeichnet und ist eines der größten Mysterien der Wissenschaft, da viele Physiker glauben, dass "das Vakuum den Schlüssel zu einem vollständigen Verständnis der Natur enthält".
7.2.3 Sekundärliteratur: Übersichtsartikel, Monographien und Lehrbücher
8 Externe Links
Geschichte
Einstein nahm die kosmologische Konstante als Begriff in seine Feldgleichungen für die allgemeine Relativitätstheorie auf, weil er unzufrieden war, dass seine Gleichungen ansonsten anscheinend kein statisches Universum zulassen: Die Schwerkraft würde ein Universum, das sich zunächst im dynamischen Gleichgewicht befand, zusammenziehen. Um dieser Möglichkeit entgegenzuwirken, fügte Einstein die kosmologische Konstante hinzu. Doch kurz nachdem Einstein seine statische Theorie entwickelt hatte, deuteten Beobachtungen von Edwin Hubble darauf hin, dass das Universum sich auszudehnen scheint; dies entsprach einer kosmologischen Lösung der ursprünglichen allgemeinen Relativitätsgleichungen, die der Mathematiker Friedmann gefunden hatte, der an den Einstein-Gleichungen der allgemeinen Relativitätstheorie arbeitete. Berichten zufolge bezeichnete Einstein sein Versäumnis, die Validierung seiner Gleichungen zu akzeptieren – als sie die Expansion des Universums theoretisch vorhergesagt hatten, bevor sie bei der Beobachtung der kosmologischen Rotverschiebung demonstriert wurde – als seinen "größten Fehler".
Tatsächlich führt das Hinzufügen der kosmologischen Konstanten zu Einsteins Gleichungen nicht zu einem statischen Universum im Gleichgewicht, da das Gleichgewicht instabil ist: Wenn sich das Universum leicht ausdehnt, dann setzt die Expansion Vakuumenergie frei, die eine weitere Ausdehnung verursacht. Ebenso wird sich ein Universum, das sich leicht zusammenzieht, weiter schrumpfen.
Die kosmologische Konstante blieb jedoch ein Thema von theoretischem und empirischem Interesse. Empirisch deutet der Ansturm kosmologischer Daten in den letzten Jahrzehnten stark darauf hin, dass unser Universum eine positive kosmologische Konstante hat. Die Erklärung dieses kleinen, aber positiven Wertes ist eine herausragende theoretische Herausforderung, das sogenannte kosmologische Konstantenproblem.
Einige frühe Verallgemeinerungen von Einsteins Gravitationstheorie, bekannt als klassische vereinheitlichte Feldtheorien, führten entweder aus theoretischen Gründen eine kosmologische Konstante ein oder fanden heraus, dass sie auf natürliche Weise aus der Mathematik entstanden ist. Zum Beispiel behauptete Sir Arthur Stanley Eddington, dass die kosmologische konstante Version der Vakuumfeldgleichung die „ erkenntnistheoretische “ Eigenschaft ausdrücke, dass das Universum „ selbsteichend “ sei, und die rein affine Theorie von Erwin Schrödinger unter Verwendung eines einfachen Variationsprinzips erzeugte die Feldgleichung mit einem kosmologischen Term.
1917 fügt Einstein seinen Gleichungen den Parameter Λ hinzu, als er erkennt, dass seine Theorie ein dynamisches Universum impliziert, für das der Raum eine Funktion der Zeit ist. Er gibt dieser Konstanten dann einen ganz besonderen Wert, um sein Universumsmodell zu zwingen, statisch und ewig zu bleiben (Einstein-statisches Universum), das er später "die größte Dummheit seines Lebens" nennen wird.
Im Jahr 1922 der russische Physiker Alexander Friedmann mathematisch zeigt, dass Einstein-Gleichungen (was auch immer Λ bleiben) gültig in einem dynamischen Universum.
1927 zeigt der belgische Astrophysiker Georges Lemaître, dass das Universum expandiert, indem er die Allgemeine Relativitätstheorie mit einigen astronomischen Beobachtungen, insbesondere denen von Hubble, kombiniert.
1931 akzeptiert Einstein schließlich die Theorie eines expandierenden Universums und schlägt 1932 mit dem niederländischen Physiker und Astronomen Willem de Sitter ein Modell eines kontinuierlich expandierenden Universums mit der kosmologischen Konstante Null (Einstein-de Sitter-Raumzeit) vor.
1998 führten zwei Teams von Astrophysikern, eines unter der Leitung von Saul Perlmutter, das andere unter der Leitung von Brian Schmidt und Adam Riess, Messungen an entfernten Supernovae durch und zeigten, dass die Geschwindigkeit von Galaxien, die sich relativ zur Milchstraße zurückziehen, mit der Zeit zunimmt. Das Universum befindet sich in beschleunigter Expansion, was ein strikt positives Λ erfordert. Das Universum würde eine mysteriöse dunkle Energie enthalten, die eine abstoßende Kraft erzeugt, die die Gravitationsbremsung ausgleicht, die durch die im Universum enthaltene Materie erzeugt wird (siehe kosmologisches Standardmodell ).
Für diese Arbeit erhielten Perlmutter (Amerikaner), Schmidt (Amerikanisch-Australier) und Riess (Amerikaner) 2011 gemeinsam den Nobelpreis für Physik.
Gleichung
Geschätzte Verhältnisse von Dunkler Materie und Dunkler Energie (die die kosmologische Konstante sein kann) im Universum. Nach aktuellen Theorien der Physik dominiert heute die Dunkle Energie als größte Energiequelle des Universums, im Gegensatz zu früheren Epochen, als sie unbedeutend war.
wobei der Ricci-Tensor/Skalar R und der metrische Tensor g die Struktur der Raumzeit beschreiben, der Spannungs-Energie-Tensor T die Energie- und Impulsdichte und den Fluss der Materie an diesem Punkt in der Raumzeit beschreibt und die universellen Gravitationskonstanten G und die Lichtgeschwindigkeit c sind Umrechnungsfaktoren, die sich bei der Verwendung traditioneller Maßeinheiten ergeben. Wenn Λ null ist, reduziert sich dies auf die im 20. Jahrhundert übliche Feldgleichung der Allgemeinen Relativitätstheorie. Wenn T null ist, beschreibt die Feldgleichung den leeren Raum (das Vakuum ).
Die kosmologische Konstante hat die gleiche Wirkung wie eine intrinsische Energiedichte des Vakuums, ρ vac (und einen zugehörigen Druck ). In diesem Zusammenhang wird es üblicherweise auf die rechte Seite der Gleichung verschoben und mit einem Proportionalitätsfaktor von 8 π definiert: Λ = 8 π ρ vac, wobei die Einheitskonventionen der Allgemeinen Relativitätstheorie verwendet werden (sonst Faktoren von G und c würde auch erscheinen, dh Λ = 8 amp; pgr; amp; rgr; vac G / c 4 = κ ρ vac, wo κ ist Einstein umskalierten Version der Gravitationskonstante G ). Es ist üblich, Werte der Energiedichte direkt anzugeben, obwohl immer noch der Name "kosmologische Konstante" verwendet wird, wobei Planck-Einheiten verwendet werden, so dass 8 πG = 1. Die wahre Dimension von Λ ist die Länge −2.
Unter Verwendung der 2018 bekannten Werte und Planck-Einheiten für Ω Λ =0,6889 ± 0,0056 und H 0 =67,66 ± 0,42 (km/s)/Mpc =(2.192 7664 ± 0,0136) × 10 -18 s -1, Λ hat den Wert