Die Vollansicht des NIRCam-Instruments (Nahinfrarotkamera) des James Webb-Weltraumteleskops zeigt einen 50 Lichtjahre breiten Teil des dichten Zentrums der Milchstraße. Auf diesem Bild der Region Sagittarius C (Sgr C) leuchten schätzungsweise 500.000 Sterne und einige noch nicht identifizierte Merkmale. (Bildnachweis: NASA, ESA, CSA, STScI, Samuel Crowe (UVA))
2009 schlug der theoretische Physiker Erik Verlinde eine radikale Neuformulierung der Schwerkraft vor. Nach seiner Theorie ist die Schwerkraft keine fundamentale Kraft, sondern eher eine Manifestation tiefer liegender verborgener Prozesse. Aber in den 15 Jahren seither gab es nicht viel experimentelle Unterstützung für diese Idee. Wie geht es also weiter?
Emergenz ist in der gesamten Physik verbreitet. Die Eigenschaft der Temperatur zum Beispiel ist keine intrinsische Eigenschaft von Gasen. Sie ist vielmehr das Ergebnis unzähliger mikroskopischer Kollisionen. Wir haben die Mittel, um diese mikroskopischen Kollisionen mit der Temperatur in Verbindung zu bringen; es gibt sogar einen ganzen Zweig der Physik, die statistische Mechanik, der diese Zusammenhänge kennt.
In anderen Bereichen sind die Zusammenhänge zwischen mikroskopischen Verhaltensweisen und auftauchenden Eigenschaften nicht so klar. So verstehen wir zwar die einfachen Mechanismen, die der Supraleitung zugrunde liegen, aber wir wissen nicht, wie mikroskopische Wechselwirkungen zur Entstehung von Hochtemperatursupraleitern führen.
Verlindes Theorie basiert auf Beobachtungen, die Stephen Hawking und Jacob Bekenstein in den 1970er Jahren gemacht haben: Viele Eigenschaften von Schwarzen Löchern lassen sich durch die Gesetze der Thermodynamik ausdrücken. Die Gesetze der Thermodynamik sind jedoch selbst aus mikroskopischen Prozessen hervorgegangen. Für Verlinde war dies mehr als nur ein Zufall und deutete darauf hin, dass das, was wir als Schwerkraft wahrnehmen, möglicherweise aus einem tieferen physikalischen Prozess hervorgeht.
Im Jahr 2009 veröffentlichte er die erste Version seiner Theorie. Entscheidend ist, dass wir nicht wissen müssen, um welche tieferen Prozesse es sich handelt, da wir bereits über das Instrumentarium – die statistische Mechanik – zur Beschreibung der emergenten Eigenschaften verfügen. Verlinde wandte diese Techniken also auf die Schwerkraft an und kam zu einer alternativen Formulierung der Schwerkraft. Und da die Schwerkraft auch mit unseren Konzepten von Bewegung, Trägheit, Raum und Zeit verknüpft ist, bedeutet dies, dass unser gesamtes Universum ebenfalls aus denselben tieferen Prozessen hervorgeht.
Das Umschreiben eines bekannten physikalischen Gesetzes ist zwar interessant, führt aber nicht unbedingt zu tieferen Einsichten. Doch 2016 erweiterte Verlinde seine Theorie, indem er entdeckte, dass ein Universum, das dunkle Energie enthält, natürlich zu einer neuen emergenten Eigenschaft des Raums führt, die es ihm ermöglicht, sich in Regionen mit geringer Dichte in sich selbst hineinzudrücken.
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Diese Entdeckung sorgte für große Aufregung, da sie eine alternative Erklärung für die dunkle Materie lieferte. Derzeit gehen die Astronomen davon aus, dass die dunkle Materie eine geheimnisvolle, unsichtbare Substanz ist, die den Großteil der Masse jeder Galaxie ausmacht. Während diese Hypothese eine Fülle von Beobachtungen erklären konnte, von den Rotationsraten der Sterne in den Galaxien bis hin zur Entwicklung der größten Strukturen im Kosmos, haben wir das mysteriöse Teilchen noch nicht identifiziert.
Eine konzeptionelle Illustration der dunklen Materie. Das Bild stellt eine Region des Weltraums mit einem Durchmesser von einigen hundert Megaparsec dar. Dunkle Materie ist eine Form von Materie, die von Teleskopen nicht entdeckt werden kann, da sie keine Strahlung aussendet. Man geht davon aus, dass sich kalte dunkle Materie erst nach dem Urknall gebildet hat. Diese Materie kollabierte dann unter ihrem eigenen Gewicht und bildete riesige Halos (hellgelb), die normale Materie ansaugten, um sichtbare Materie, wie Galaxien, zu bilden. (Bildnachweis: Mark Garlick/Science Photo Library/Getty Images)
In Verlindes Bild der emergenten Schwerkraft verhält sich die Schwerkraft anders, als wir es aufgrund von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie erwarten würden, sobald man in Regionen mit geringer Dichte kommt – im Grunde genommen alles außerhalb des Sonnensystems. In großen Maßstäben gibt es eine natürliche Anziehungskraft auf den Raum selbst, die die Materie dazu zwingt, sich dichter zu verklumpen, als sie es sonst tun würde.
Diese Idee war aufregend, weil sie es den Astronomen ermöglichte, einen Weg zu finden, diese neue Theorie zu testen. Beobachter konnten diese neue Theorie der Schwerkraft in Modelle der Galaxienstruktur und -entwicklung einbauen, um Unterschiede zwischen ihr und Modellen der dunklen Materie zu finden.
Im Laufe der Jahre waren die experimentellen Ergebnisse jedoch uneinheitlich. Einige frühe Tests gaben der entstehenden Schwerkraft gegenüber der dunklen Materie den Vorzug, wenn es um die Rotationsraten von Sternen ging. Neuere Beobachtungen haben jedoch keinen Vorteil ergeben. Und die dunkle Materie kann auch viel mehr als nur die Rotationsraten von Galaxien erklären; Tests innerhalb von Galaxienhaufen haben ergeben, dass die emergente Gravitation nicht ausreicht.
Das ist nicht das Ende der emergenten Schwerkraft. Die Idee ist noch neu und erfordert viele Annahmen in ihren Berechnungen, damit sie funktioniert. Ohne eine vollständig realisierte Theorie ist es schwer zu sagen, ob die Vorhersagen, die sie für das Verhalten von Galaxien und Galaxienhaufen macht, genau dem entsprechen, was uns die emergente Gravitation sagen würde. Und Astronomen versuchen immer noch, strengere Tests zu entwickeln, z. B. mit Daten aus dem kosmischen Mikrowellenhintergrund, um die Theorie wirklich auf Herz und Nieren zu prüfen.
Emergente Schwerkraft bleibt eine faszinierende Idee. Sollte sie zutreffen, müssten wir unser Verständnis der natürlichen Welt radikal umgestalten und Schwerkraft und Bewegung – und sogar grundlegendere Konzepte wie Zeit und Raum – durch die Linse der Entstehung aus tieferen, komplizierteren Wechselwirkungen sehen. Aber im Moment bleibt es einfach eine faszinierende Idee. Nur die Zeit und umfangreiche Beobachtungstests werden uns zeigen, ob wir auf dem richtigen Weg sind.
