Die Schwerkraft könnte eine Manifestation der Thermodynamik sein, der Wissenschaft von Wärme und Energie.
Diese Idee wird von Forschern des Imperial College London untersucht, die vorschlagen, dass sie wie ein thermischer Motor wirkt, der Wärme in Arbeit umwandelt. Ein Ansatz, der große kosmologische Rätsel lösen könnte.
Einsteins allgemeine Relativitätstheorie beschreibt die Schwerkraft als Krümmung der Raumzeit. Aber sie hat Schwierigkeiten zu erklären, warum die Vakuumenergie im Vergleich zu den Quantenvorhersagen so gering ist: das berühmte Problem der kosmologischen Konstante. Diese Diskrepanz hat Physiker dazu veranlasst, nach Alternativen zu suchen. Der thermodynamische Ansatz könnte einen neuen Weg bieten, indem er die Schwerkraft mit bereits bei Schwarzen Löchern beobachteten Wärme- und Entropieprozessen verbindet.
Alles begann 1995, als der Physiker Ted Jacobson die Logik von Hawking und Bekenstein umkehrte. Anstatt eine Temperatur aus der Schwerkraft abzuleiten, nutzte er die Thermodynamik, um Einsteins Gleichung herzuleiten. Eine brillante Idee, die jedoch jahrzehntelang keine Fortsetzung fand. Joao Magueijo, Hauptautor der neuen Studie, erinnerte sich daran während eines Urlaubs auf einer abgelegenen griechischen Insel. Er erkannte, dass frühere Versuche versuchten, bestehende Theorien an Jacobsons Konstruktion anzupassen, anstatt die Thermodynamik den Weg weisen zu lassen.
Mit seinem Doktoranden Ray Isichei modellierte Magueijo die Schwerkraft als Otto-Zyklus, das Prinzip der Benzinmotoren. In einem Motor ist Wärme nicht die einzige Energiequelle: es gibt auch Arbeit, chemische Reaktionen. Sie fügten daher dieses 'etwas Anderes' zum thermodynamischen Prozess hinzu, ohne das Ergebnis vorherzusagen. Dieser offene Ansatz ermöglichte es, eine neue Theorie der Schwerkraft abzuleiten, bei der Materie und Energie erzeugt oder vernichtet werden können.
Der in dem Artikel vorgeschlagene thermodynamische Zyklus. Einsteins Schwerkraft entspricht dem entarteten Fall, in dem nur die Wärmeflussschritte vorhanden sind. Durch Hinzufügen von Arbeitsproduktionsschritten entstehen neue Gravitationstheorien, einschließlich solcher, bei denen die Erhaltung von Materie-Energie modifiziert ist.
Bildnachweis: Isichei und Magueijo / Physical Review Letters.
Dieses Ergebnis wäre fast aufgegeben worden, da es absurd erschien. Aber die Forscher erkannten, dass diese Eigenschaft die beschleunigte Expansion des Universums erklären könnte, ohne auf dunkle Energie oder eine kosmologische Konstante zurückzugreifen. Normalerweise verlangsamt gewöhnliche Materie die Expansion. Wenn jedoch ihre Erhaltung modifiziert wird, kann eine kontinuierliche Erzeugung von Materie stattdessen die Expansion beschleunigen. Eine kühne Idee, die ein jahrzehntealtes Problem lösen könnte.
Natürlich bleibt diese Theorie spekulativ. Die Autoren planen, sie mit kosmologischen Beobachtungen wie Supernovae oder der kosmischen Hintergrundstrahlung zu konfrontieren. Die Kosmologie ist zu einer Präzisionswissenschaft geworden, und jede neue Idee muss die Prüfung der Daten bestehen. Wenn sie sich bestätigt, könnte unser Verständnis von Schwerkraft und Universum tiefgreifend verändert werden.
Quelle: Physical Review Letters