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Physiker legt überraschende Erklärung für Dunkle Materie vor

Neue Berechnungen könnten Licht in eines der größten ungelösten Geheimnisse der Astrophysik bringen—und ganz nebenbei eine völlig neue Art der Gravitation aufzeigen.

von Christine Kewitz
15 November 2016, 8:00am

Bild: flickr | Maxwell HamiltonCC BY 2.0

Die Existenz der Dunklen Materie gehört zu den größten offenen Fragen der Astrophysik. 80 Prozent der Materie und knapp 27 Prozent der Energiedichte in unserem Universum bestehen aus einem Stoff, den bisher noch nie ein Mensch gesehen hat. Das sorgt in der Physiker für echte Probleme, denn bestimmte Phänomene im All lassen sich nur durch die Existenz Dunkler Materie erklären. So scheint diese unsichtbare Schwerkraft beispielsweise Gaswolken und Galaxien zusammen zu halten, die sich viel zu schnell bewegen, als dass sie nur von sichtbarer Materie zusammen gehalten werden könnten.

Noch immer zerbrechen sich Wissenschaftler die Köpfe darüber, worum es sich bei der Dunklen Materie nun eigentlich handelt. Jegliche Experimente in der Atmosphäre, in unterirdischen Detektoren oder mittels Beschleunigung konnten bisher weder einen direkten Beweis für ihre Existenz noch Informationen über ihre mögliche Beschaffenheit liefern.

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Erik Verlinde, ein Physiker an der Universität Amsterdam, geht nun einen unkonventionellen Weg, um der Dunklen Materie auf die Spur zu kommen: Er kürzte die geheimnisvolle Kraft einfach aus der Gleichung heraus—und stößt dabei auch auf neue Erkenntnisse zur Rolle der Gravitation in der Astrophysik . Erstaunlicherweise gelang es ihm trotzdem, die Bewegungen der Galaxien zu berechnen. Seine Ergebnisse hat er nun in einem Paper zusammengefasst, das bisher allerdings noch keiner Peer-Review unterzogen wurde.

„Unsere derzeitigen Vorstellungen von Raum, Zeit und Schwerkraft müssen dringend überdacht werden. Wir wissen schon lange, dass Einsteins Theorie der Gravitation nicht mit der Quantenmechanik vereinbar ist", so Verlinde, gegenüber der niederländischen Nachrichtenseite NOS. „[...] ich denke, wir befinden uns am Vorabend einer wissenschaftlichen Revolution."

Seine Ausgangsthese beruht auf der Annahme, dass wir die Schwerkraft und ihre Wirkungsweisen noch nicht ausreichend verstanden haben. Denn nicht nur bei der Dunklen Materie gibt es Ungereimtheiten. Auch die Quantenmechanik will nicht so richtig mit den Regeln der Gravitation harmonieren. Die quantenphysikalischen Probleme lassen sich dabei unter extremen Bedingungen nachvollziehen, etwa in der Nähe Schwarzer Löcher oder während des Urknalls.

Hier setzt Verlinde mit einer Vermutung an: Bei der Gravitation handelt es sich gar nicht um eine eigene Kraft, sondern stattdessen um einen Nebeneffekt. Sie wäre somit lediglich ein Symptom und nicht die Ursache, vergleichbar mit dem Phänomen der Temperatur, die bei der Bewegung mikroskopischer Teilchen entsteht.

Dem Physiker zufolge besteht keine Notwendigkeit, den Berrechnungen über die Vorhersage der Bewegungen im All eine geheimnisvolle dunkle Materie hinzuzufügen. Die Geschwindigkeiten, mit der etwa die Sterne um das Zentrum der Milchstraße rotieren oder wie sie sich innerhalb ihrer Galaxien bewegen, lassen sich auch ohne das Mysterium des „Nicht-Sichtbaren" berechnen.

Verlinde bemühte in seinen Berechnungen das Modell der Entropie. Die Entropie beschreibt das Verhalten einer Flüssigkeit oder eines Gases, deren Atome eine bestimmte Anzahl an Möglichkeiten haben, sich im Raum anzuordnen und zu bewegen. Je ungeordneter die Bewegungen, und damit: Je zahlreicher die Kombinationsmöglichkeiten mit anderen Atomen, desto größer die Entropie. Bedeutet: Je größer das atomare Chaos, desto größer die Entropie und umgekehrt. Ein Faktor, der Entropie begünstigt, ist Wärme. Sie lässt die Teilchen ungeordnet im Raum herumschwirren. Kälte hingegen schränkt sie ein, sowohl was ihren Bewegungsradius als auch ihre Geschwindigkeit betrifft.

Die Entropie kombinierte Verlinde nun mit einer Adaption des holographischen Prinzips. Der Theorie des holographischen Prinzips zufolge lässt sich die dreidimensionale Physik mittels der zweidimensionalen Fläche beschreiben. Demnach lässt sich ein dreidimensionales System vollständig durch eine physikalische Theorie ausdrücken, die lediglich mit einer zweidimensionalen, räumlich begrenzten Fläche operiert. Bildlich gesprochen, kann die gesamte Information des Universums mit Hilfe eines riesigen imaginären Himmelsgewölbes oder einer Sphäre beschrieben werden.

Verlinde zeigte bereits 2010, dass diese Theorie nicht ganz korrekt ist, unter anderem da Teile der Information auch im Raum selbst enthalten sind. Dabei handelt es sich um Raum-Zeit-Informationseinheiten, welche sich mit Zunahme der Entropie verändern können. Verlinde bezeichnet diese Informationsspeicher in seinem Paper als „Atome" des Raums. In seinen Berechnungen kommt der Niederländer nun zu dem Ergebnis, dass die Veränderungen der „Raumatome" eine entropische Kraft erzeugen, die sich wie die Gravitation verhält, die energetische Kraft, die es vermag, die Galaxien stabil zu halten. Auf einem mikroskopischen Level ist die Gravitation Verlinde zufolge ein Phänomen, das durch die Entropie des Universums entsteht. Mit seiner aktuellen Forschung will der Physiker nun beweisen, dass sich das Verhalten der Galaxien mit dem neuen Faktor der Gravitation ebenfalls erklären lässt, ohne dass eine Dunkle Materie ins Spiel gebracht werden müsste.

„Viele theoretische Physiker wie ich forschen an einer Überarbeitung der Theorie und es gab auch schon einige große Fortschritte", wird Verlinde bei phys.org zitiert. „Wir könnten uns an der Schwelle einer wissenschaftlichen Revolution befinden, die unsere Sicht auf die Natur von Raum, Zeit und Gravitation radikal verändern könnte."

Nun geht es darum, Verlindes Theorien von anderen Forschungsteams überprüfen und bestätigen zu lassen. Und auch gesetzt den Fall, dass hier kein großes Mysterium gelöst würde, hätte Verlinde zumindest angeregt, sich dem Problem mit einer neuen Sichtweise zu nähern.