Nach den Theorien der Teilchenphysik wimmelt es im Vakuum nur so von “virtuellen Teilchen” und “fluktuierenden Feldern”, die dem Universum eine derartig große Energiedichte verleihen, dass es sich eigentlich explosionsartig ausdehnen sollte. Nimmt man jedoch an, dass unser Universum “aus dem Nichts” entstanden ist, dann löst man nicht nur dieses Vakuum-Rätsel, sondern erhält gleichzeitig für die Materiedichte im Universum einen Wert, der in der Größenordnung der heutigen Beobachtungen liegt. Das zeigen Hans-Jörg Fahr und James Overduin von der Universität Bonn in der Fachzeitschrift Naturwissenschaften (Bd. 88, S. 491).
Aufgrund der Unschärferelation der Quantenmechanik finden im Vakuum fortwährend “Quantenfluktuationen” statt: Dauernd werden Elementarteilchen erzeugt und wieder vernichtet. Die Elementarteilchentheorien sagen für dieses Vakuum die ungeheure Dichte von einer Milliarde Trilliarden Trilliarden Trilliarden Trilliarden (eine 1 mit 93 Nullen) Gramm pro Kubikzentimeter voraus. Träfe dies wirklich zu, dann müsste sich das Universum schlagartig ausdehnen. Eine Konsequenz daraus wäre, dass sich der Raum zwischen den Fingern eines ausgestreckten Armes und den Augen so schnell ausdehnen würde, dass das von den Fingern reflektierte Licht niemals die Augen erreichen würde, was offensichtlich nicht der Realität entspricht.
Die Physik versucht dieses Vakuum-Rätsel durch die Einführung der so genannten kosmologischen Konstanten zu lösen. Dies ist ein Term, der in den Gleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie, die die Ausdehnung des Universums beschreiben, von der Energiedichte gerade so viel abzieht, dass ein “vernünftiges” Vakuum übrig bleibt. Alle anderen Konsequenzen aus diesen Gleichungen bleiben dabei unverändert, so dass ein solches Verfahren möglich ist, ohne sich an anderer Stelle Probleme einzuhandeln.
Für ein vernünftiges Vakuum sehen einige Physiker eines an, dass “nichts tut”. Beispielsweise sollte Licht, dass sich durch dieses Vakuum bewegt, keine Energie verlieren.
Fahr und Overduin plädieren dagegen dafür, die kosmologische Konstante so zu bestimmen, dass die Gesamtenergie des Universums gleich Null ist. Eine Abschätzung, die sie mit dieser Annahme durchführen, liefert für die Materiedichte des Universums einen Wert, der mit den heutigen Beobachtungen vereinbar ist.
Ein Universum, in dem sich die negative Gravitationsenergie exakt mit der Materie-Vakuum-Energie die Waage hält, bräuchte für seine Entstehung keine Energie. Es könnte selbst als Quantenfluktuation aus dem Vakuum eines höherdimensionalen Raumes hervorgegangen sein. “Das beantwortet zwar nicht endgültig die Frage nach dem Ursprung aller Existenz, aber es schiebt sie doch behaglich weit weg”, schreiben die beiden Autoren.
Einstein vereinigte in seiner Relativitätstheorie Raum und Zeit zur Raumzeit und zeigte, dass Masse sie krümmen kann.
Jahrhundertelang hielt man Newtons Gravitationstheorie für ausreichend, um die Bewegung von Materie im Universum zu erklären. Doch Anfang des 20. Jahrhunderts veröffentlichte der Physiker Albert Einstein seine Relativitätstheorie, um eine Erklärung für das bis dahin rätselhafte Gravitationsverhalten sehr großer und sehr weit entfernter Objekte zu liefern. Einsteins Theorie, die sich aus der speziellen Relativitätstheorie und der allgemeinen Relativitätstheorie zusammensetzt, revolutionierte die Physik. Denn sie erlaubte Kosmologen, unser Universum auf eine völlig neue Art und Weise zu erforschen und zu begreifen.
Die spezielle Relativitätstheorie umfasst Einsteins Theorie über die Struktur der Raumzeit. Ihr zufolge sind Raum und Zeit keine separaten Entitäten, sondern so aufeinander bezogen, dass die Geschwindigkeit, mit der Zeit vergeht, von der Bewegungsgeschwindigkeit eines Körpers abhängt. Die Theorie besagt auch, dass sich nichts schneller als mit Lichtgeschwindigkeit bewegen kann.
Die Relativitätstheorie verweist zudem auf die Austauschbarkeit von Materie und Energie. Materie kann sich in Energie verwandeln und umgekehrt. Die berühmte Gleichung E = mc2 beschreibt dieses Naturgesetz.
Einsteins allgemeine Relativitätstheorie beinhaltet die Gravitationstheorie, der zufolge Massen die Raumzeit verformen. Wie eine Murmel, die auf einer dünnen Gummimatte eine Delle verursacht, krümmt auch ein schwerer Körper die Raumzeit. Je massiver der Körper ist, umso stärker dellt sich die Gummimatte bzw. die Raumzeit ein und umso mehr werden umliegende Körper in die entstandene Kuhle gezogen.
Die Krümmung der Raumzeit wird durch ein Phänomen bestätigt, das Wissenschaftler Gravitationslinseneffekt nennen: Wenn Licht in die Nähe eines massiven Körpers gerät, zum Beispiel eines Schwarzen Lochs, dann kann die durch den Körper verursachte Raumzeit-„Kuhle“ es ablenken. Astronomen nutzen diesen Effekt, um Sterne und Galaxien zu untersuchen, die hinter massiven Körpern liegen.
