Könnte die verborgene Form des Universums ein Physik-Rätsel lösen?

Was die Studie zeigt

Nach Hubbles Entdeckung verbrachte die kosmologische Konstante etwa ein halbes Jahrhundert auf dem wissenschaftlichen Schrottplatz. Das änderte sich jedoch 1998, als Wissenschaftler entdeckten, dass die Expansion des Universums nicht mit konstanter Rate erfolgt, sondern beschleunigt.

Diese Entdeckung machte die kosmologische Konstante erneut notwendig, um die zunehmende Geschwindigkeit der Expansion des Universums zu beschreiben. Nicht nur war Einsteins hässlicher Term zurück, er war noch hässlicher als je zuvor. Während der Exilzeit der Konstante wurde die Quantenfeldtheorie zum Rückgrat des Standardmodells der Teilchenphysik.

Nach der QFT ist der leere Raum überhaupt nicht leer. Vielmehr ist er eine kochende Suppe elementarer Teilchen, die ständig entstehen und wieder verschwinden. All diese Aktivität müsste die Vakuumenergie des Raumes – die durch die kosmologische Konstante beschriebene Energie – praktisch unendlich machen.

Ihr beobachteter Wert, der aus der

Ihr beobachteter Wert, der aus der Rate der kosmischen Expansion geschätzt wird, ist jedoch definitiv nicht unendlich. Ein unendlicher Wert würde das Universum zu schnell expandieren lassen, um die Bildung, Planeten oder Physikern zu ermöglichen.

Experimente mit Elementarteilchen haben gezeigt, dass die QFT zu den präzisesten und erfolgreichsten Theorien aller Wissenschaften gehört, was ihre scheinbar fehlerhaften Vorhersagen bezüglich der kosmologischen Konstante noch rätselhafter macht.

Erforschung der Quantengravitation und der CSK-Theorie Alexander hat jahrelang die Chern-Simons-Kodama (CSK)-Theorie studiert, eine vorgeschlagene Form der Quantengravitation, die aus der Quantenfeldtheorie hervorgeht.

Was die Studie zeigt

Wissenschaftler haben sich noch nicht auf eine Quantentheorie der Gravitation geeinigt  eine Theorie, die erklrt, wie die Gravitation auf den kleinsten Skalen funktioniert , aber laut Alexander ist der CSK-Zustand einer der unkompliziertesten Kandidaten. Es ist ein sehr konservativer Ansatz zur Quantisierung der Gravitation, sagte er. Das ist der Ansatz, den Wissenschaftler wie Dirac, Schrdinger und Wheeler verfolgt haben.

Es ist einfach gute, altmodische Quantisierung. Alexander war sich bereits mathematischer hnlichkeiten zwischen CSK und der Mathematik hinter dem Quanten-Hall-Effekt bewusst, war sich aber nicht ganz sicher, wie er diese interpretieren sollte.

Daraufhin wandte er sich Hui, einen Assistenzprofessor, der sich auf topologische Systeme spezialisiert hat, wie sie Quanten-Hall-Effekt auftreten. Das ist die Schnheit des Brown Theoretical Physics Center, sagte Alexander.

Wir wollen ein Ort sein,

Wir wollen ein Ort sein, an dem viele Perspektiven aufeinandertreffen, und genau das machen wir: Ein Kosmologe arbeitet eng mit einem Theoretiker für kondensierte Materie zusammen.

Zusammen konnten die Forscher zeigen, dass die kosmologische Konstante im CSK-Zustand einen ähnlichen „topologischen Schutz“ aufweist wie die elektrische Leitfähigkeit Quanten-Hall-Effekt. Der Quanten-Hall-Effekt tritt auf, wenn Strom durch sehr dünne Materialien Anwesenheit eines Magnetfelds fließt.

Stellen Sie sich ein flaches, zweidimensionales Stück Metall vor, das in einen rechteckigen Streifen geschnitten ist und durch den der Strom in Längsrichtung fließt. Die Einführung eines Magnetfelds erzeugt eine zweite Spannung, die senkrecht zur ursprünglichen Stromrichtung verläuft.

Dies wird als Hall-Spannung bezeichnet (benannt

Dies wird als Hall-Spannung bezeichnet (benannt nach Edwin Hall, der sie entdeckte). Bei Raumtemperatur und unter relativ schwachen Magnetfeldern nimmt die Hall-Spannung linear mit zunehmender Stärke des Magnetfelds zu.

Bei sehr kalten Temperaturen, bei denen die Regeln der Quantenmechanik dominieren und unter sehr starken Magnetfeldern, ändert sich das Phänomen. Anstatt linear mit der Stärke des Magnetfelds anzusteigen, beginnt die Hall-Spannung, in diskreten (oder quantisierten) Schritten und Plateaus anzusteigen.

Diese Schritte und Plateaus sind unglaublich präzise und konstant und weisen unabhängig vom verwendeten Leitermetall oder dieselben Werte auf. Topologische Schutzwirkung und kosmologische Implikationen Diese Präzision und Konstanz resultieren aus der Topologie des Systems.

Einordnung fuer Autofahrer

Unter diesen extremen Bedingungen gelangen die Elektronen in einen hochgradig korrelierten Zustand kollektiven Verhaltens. Es ist die mathematische Struktur dieses kollektiven Zustands – seine Topologie –, die die Werte der Schritte und Plateaus festlegt.

Das System ist topologisch vor Störungen durch das Material und dessen Unvollkommenheiten geschützt, weshalb die Schritte und Plateaus immer denselben Wert aufweisen. Die Forscher zeigen, dass in den Gleichungen, welche den CSK-Zustand beschreiben, ein sehr ähnlicher topologischer Schutz vorhanden ist.

So wie die Topologie der Elektronenzustände die Hall-Spannung fixiert, fixiert die Topologie der Raumzeit selbst die kosmologische Konstante, selbst angesichts Raumes. „Was wir herausgefunden haben, ist, dass diese Quantisierung des elektrischen Leitwerts Quanten-Hall-Effekt ein Analogon zur kosmologischen Konstante besitzt“, sagte Hui. „Auch diese wird aus topologischen Gründen quantisiert.

Es stellen sich Einschränkungen in der

Es stellen sich Einschränkungen in der Theorie heraus, die die kosmologische Konstante dazu zwingen, bestimmte erlaubte Quantenwerte anzunehmen.“ Alexander merkt an, dass noch viel Arbeit nötig ist, um eine topologische Lösung für das Problem der kosmologischen Konstante vollständig auszuarbeiten.

Aber das Finden einer potenziellen Lösung für den gravitativen Aspekt des Problems ist ein entscheidender Anfang.

Zumindest betone er, dass die Arbeit den Status des CSK-Staates als Kandidat für eine seit langem gesuchte Theorie der Quantengravitation stärkt. „Wir haben etwas Altes genommen, nämlich diesen konservativen, kanonischen Ansatz zur Quantengravitation, und etwas Neues entdeckt, das schon immer da war“, sagte Alexander. „Jetzt arbeiten wir an einem größeren Gesamtbild, wie dieses Phänomen funktioniert.“ Referenz: „Cosmological Constant from Quantum Gravitational 𝜃 Vacua and the Gravitational Hall Effect“, Heliudson Bernardo und Aaron Hui, 17.

April 2026, Physical Review Letters. DOI: 10.1103/rzz5-p4f4