Die „Brownsche Bewegung“ der Raumzeit könnte den Tod der Dunklen Materie bedeuten

Wenn Astronomen die Rotation entfernter Galaxien untersuchen, stehen sie sofort vor einem Rätsel. Die Sterne werden durch die Schwerkraft zusammengehalten, die verhindert, dass sie bei der Rotation der Galaxien in den intergalaktischen Raum geschleudert werden. Tatsächlich können Astronomen die Schwerkraft anhand der Masse der Sterne berechnen, die sie sehen können.

Das Rätsel besteht darin, dass sich die äußersten Teile dieser Galaxien zu schnell bewegen. Von dieser Masse scheint nicht genug vorhanden zu sein, um das Wegfliegen dieser Sterne zu verhindern.

Dass dies nicht geschieht, ist eines der großen Rätsel der modernen Kosmologie. Es muss eine Kraft geben, die die Galaxien zusammenhält, aber die Astronomen wissen nicht, woher sie kommt.

Ihre beste Vermutung ist, dass Galaxien mit Materie gefüllt sein müssen, die sie nicht sehen können, und die eine Gravitationskraft auf die Materie ausübt, die sie sehen können. Und die Suche nach dieser sogenannten Dunklen Materie ist eines der großen Unterfangen der modernen Wissenschaft. Doch trotz jahrelanger Forschung und Experimenten, die Milliarden von Dollar kosten, hat niemand die Dunkle Materie direkt beobachtet.

Kosmisches Puzzle

Aber es gibt noch eine andere Erklärung. Bereits in den 1980er Jahren schlug ein Physiker namens Mordehai Milgrom vor, dass sich Newtons Bewegungsgesetze auf galaktischer Ebene geringfügig von denen auf der Erde unterscheiden könnten. Und dass diese modifizierte Newtonsche Dynamik oder MOND für den zusätzlichen Gravitationsschub sorgen könnte, um Galaxien anstelle von dunkler Materie zusammenzuhalten.

Aber wie bei der Dunklen Materie gibt es kaum Beweise, die diese Idee stützen. Verschiedene Studien haben untersucht, wie MOND die Umlaufbahnen entfernter Objekte wie Pluto oder auch der Raumsonden Pioneer und Voyager beeinflussen könnte, jedoch ohne ermutigende Ergebnisse. Und viele Astronomen mögen die Idee nicht, weil es sich dabei um eine im Wesentlichen willkürliche Änderung der Newtonschen Dynamik handelt.

Aus diesem Grund tendieren Astronomen dazu, die Idee der Dunklen Materie zu bevorzugen, während die Kontroverse über die modifizierte Newtonsche Dynamik im Vergleich zur Dunklen Materie abebbt.

Aber das könnte sich jetzt ändern, dank der Arbeit von Jonathan Oppenheim und Andrea Russo vom University College London, die herausgefunden haben, warum Milgroms MOND-Idee doch wahr sein könnte. Damit erhält MOND eine theoretische Grundlage, die seine Attraktivität für Astronomen und Physiker steigern wird.

Das neue Werk basiert auf einer Idee, die Oppenheim vor einigen Jahren vorgebracht hat, um die Inkompatibilität zwischen zwei der großen Grundlagen der modernen Physik in Einklang zu bringen: der Quantenmechanik und der allgemeinen Relativitätstheorie.

Die Quantenmechanik regelt das Verhalten des Universums auf den kleinsten Skalen, während die Relativitätstheorie auf den größten Skalen operiert. Der Charakter dieser Theorien ist jedoch völlig gegensätzlich: Die Quantenmechanik legt nahe, dass das Universum von Natur aus probabilistisch ist, während die Relativitätstheorie impliziert, dass es völlig klassisch ist.

Dies stellt ein Dilemma dar, wenn es darum geht, eine Theorie der Quantengravitation abzuleiten, eines, das die Physiker noch lösen müssen.

Oppenheims Idee ist, dass die Relativitätstheorie klassisch, aber grundsätzlich stochastisch ist. Damit meint er, dass sie einen zufälligen Charakter hat, ähnlich wie die Brownsche Bewegung, die zufällige Bewegung von Teilchen, die in einer Flüssigkeit schweben. Dadurch können Quantenmechanik und Relativität mathematisch kompatibel kombiniert werden.

Eine Konsequenz des neuen Ansatzes ist, dass die Schwerkraft auf menschlicher Ebene völlig newtonsch ist, genau wie Physiker es beobachten. Ein weiterer Grund ist, dass die Erdbeschleunigung auf galaktischen Skalen um einen kleinen, aber zufälligen Betrag variieren kann, als ob die Raumzeit eine Art Brownsche Bewegung auf die Massen in ihr auslösen würde. Es ist diese stochastische Natur der Raumzeit, die die zusätzliche Gravitationskraft erzeugt, die Galaxien zusammenhält.

„Wir zeigen, dass dieses stochastische Verhalten bei geringen Beschleunigungen zu einer Modifikation der Allgemeinen Relativitätstheorie führt“, sagen sie. „Im Bereich niedriger Beschleunigung wirkt die Varianz der durch das Gravitationsfeld erzeugten Beschleunigung … als entropische Kraft und führt zu einer Abweichung von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie.“

Möge die Macht

Mit anderen Worten: Die entropische Kraft wirkt, als wäre sie zusätzliche Materie. „Die entropische Kraft, die durch eine stochastische kosmologische Konstante angetrieben wird, kann galaktische Rotationskurven erklären, ohne dass dunkle Materie hervorgerufen werden muss“, schließen sie.

Die Ähnlichkeit mit Milgroms Idee ist auch Oppenheim und Russo nicht entgangen. Tatsächlich zeigen sie, dass ihre Idee ähnliche Vorhersagen wie die von Milgrom hervorbringt. Und die neue Theorie ist keine willkürliche Modifikation der Newtonschen Dynamik, sondern eine notwendige Folge der Kombination von Relativitätstheorie und Quantenmechanik in einem einzigen Rahmen.

Das ist eine interessante Arbeit mit erheblichem Potenzial für zukünftige Experimente, die die Natur der Newtonschen Dynamik testen werden.

Doch Oppenheim und Russo mahnen zur Vorsicht. Sie weisen darauf hin, dass es neben der galaktischen Rotation noch andere Gründe gibt, die darauf hindeuten, dass dunkle Materie existiert. Beispielsweise wirkt die Gravitationsmasse entfernter Galaxien wie eine Linse, indem sie das vorbeiziehende Licht beugt. Und die Größe dieser Biegung legt nahe, dass dunkle Materie zu dieser Masse beitragen muss.

Oppenheim und Russo sagen, dass ihre Idee, bevor sie an Bedeutung gewinnen kann, weiter untersucht werden muss, insbesondere durch die Simulation der Brownschen Bewegung der Raumzeit und ihrer Auswirkungen auf die Masse.

Das wird den Astronomen einige schöne Stunden bescheren. Für die Experimentatoren, die Milliarden ausgegeben haben, um hier auf der Erde nach Beweisen für dunkle Materie zu suchen, könnte es sich als weniger erfreulich erweisen.

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Ref: Anomaler Beitrag zu galaktischen Rotationskurven aufgrund der stochastischen Raumzeit: arxiv.org/abs/2402.19459