Könnten Quantengravitationsmodelle, die aus der Holographie entstehen, die kosmologische Beschleunigung erklären?

22. Juni 2023 Feature

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Von Ingrid Fadelli, Phys.org

Theoretische Physiker versuchen seit Langem, eine vollständige Theorie der Gravitation zu entwerfen, die auch Phänomene der Quantenmechanik erklären würde, was die bisherigen Modelle nicht tun. Eine solche Theorie könnte die vielen komplexen physischen und kosmologischen Phänomene erklären, die in den letzten Jahrzehnten beobachtet wurden.

Forscher der University of Maryland und der University of British Columbia haben kürzlich eine theoretische Studie durchgeführt, um zu untersuchen, ob Holographie, ein Ansatz zur Quantengravitation, der einige Eigenschaften konventioneller Hologramme enthält, zur Beschreibung von quantenmechanischen Phänomenen verwendet werden könnte. Ihr Dokument, das in Physical Review Letters veröffentlicht wurde, stellt ein theoretisches Argument vor, das einen Zusammenhang zwischen beobachtbaren kosmologischen Phänomenen und der Physik herstellen könnte, die den Raum-Zeit-Krümmungen von Wurmlöchern zugrunde liegt.

'Die Entwicklung einer Gravitationstheorie, die die Physik der Quantenmechanik einschließt, ist seit Jahrzehnten ein wichtiger Forschungsbereich in der theoretischen Physik,' sagte Mark Van Raamsdonk, einer der Forscher, die die Studie durchgeführt haben, gegenüber Phys.org. 'Das ist notwendig, um die Physik von schwarzen Löchern und dem Urknall wirklich zu verstehen und Fortschritte in Richtung einer vollständig vereinheitlichten Theorie der Physik zu machen.

'Wir haben jetzt vollständig konsistente Modelle der Quantengravitation über einen Ansatz namens Holographie, bei dem die Gravitationsphysik in einem einfacheren, niedrigdimensionalen, nicht-gravitationalen Quantensystem codiert ist. Holographische Gravitationstheorien haben uns viel über die Physik von schwarzen Löchern und sogar die grundlegende Natur der Raumzeit gelehrt, aber bisher gab es wenig Fortschritt im Verständnis realistischer kosmologischer Raumzeiten mit einem Urknall.'

Das Ziel der jüngsten Arbeit von Van Raamsdonk und seinen Kollegen war es, die Physik von kosmologischen Raumzeiten mit einem holographischen Ansatz zu beschreiben. Raumzeiten enthalten im Wesentlichen die Kombination der drei Dimensionen des Raums und der einen Dimension der Zeit in einer einzigen vierdimensionalen Mannigfaltigkeit, die Phänomene wie den Urknall und kosmische Expansionen bedingt.

'Wir argumentieren, dass diese Modelle auch erklären können, warum die Expansion unseres Universums beschleunigt, aber auf eine andere Weise als das, was im Lambda-CDM-Modell (kalte dunkle Materie) angenommen wird', sagte Van Raamsdonk. 'Die konventionellste Erklärung ist, dass wir eine positive "kosmologische Konstante" haben, eine Art von dunkler Energie, die in jedem Teil des Universums immer dieselbe Dichte hat. Wir argumentierten, dass die holographischen Modelle auch die kosmische Beschleunigung auf natürliche Weise erklären können, aber über eine dunkle Energie, deren Dichte sich mit der Zeit ändert.'

Holographische Modelle legen nahe, dass die Dichte der dunklen Energie irgendwann unter Null fällt und einen negativen Wert erreicht. Dies könnte wiederum eine Verlangsamung und letztendlich den Re-Kollaps des Universums verursachen, was manchmal als "großer Zusammenbruch" bezeichnet wird. Van Raamsdonk und seine Kollegen schlagen daher vor, dass diese Modelle eine andere Perspektive auf die kosmologische Beschleunigung bieten könnten.

'Wir haben beobachtet, dass Quantengravitationsmodelle, die aus der Holographie entstehen, die kosmische Beschleunigung auf eine neue Art und Weise erklären können, mit einer sich ändernden dunklen Energie, die schließlich negativ wird', sagte Van Raamsdonk. 'Wir wissen nicht sicher, ob unser Universum auf diese Weise funktioniert, aber es ist etwas, nach dem wir in kosmologischen Beobachtungen suchen können.'

Die jüngste Arbeit dieses Forscherteams bietet eine neue Perspektive, die zum theoretischen Verständnis von kosmologischen Problemen beitragen könnte, die nach wie vor ungelöst sind. Van Raamsdonk und seine Kollegen haben bereits weitere Untersuchungen durchgeführt, um ihre Vorhersagen mit verfügbaren kosmologischen Beobachtungen zu vergleichen.

'Wir haben die Vorhersagen unserer Modellklasse (der abnehmenden dunklen Energie) mit dem verglichen, was wir aus direkten Beobachtungen der Expansion des Universums sehen, um zu sehen, ob diese konsistent erscheinen', fügte Van Raamsdonk hinzu. 'Mit meinem Studenten Chris Waddell haben wir uns die jüngsten Rotverschiebungs- gegen Helligkeitsdaten für Typ-IA-Supernovae angesehen. Diese Beobachtungen können uns quantitativ zeigen, wie die Expansion des Universums in den letzten sechs oder sieben Milliarden Jahren aussah. Obwohl die Daten uns nicht definitiv sagen, ob die dunkle Energie abnimmt oder nicht, stellten wir fest, dass die meisten Modelle, die die Daten akzeptabel passen, derzeit abnehmende dunkle Energie aufweisen. '

In their next studies, the researchers would also like to better understand what the class of models they devised would predict regarding the physics of the cosmic microwave background and the distribution of galaxies in the universe. This would then allow them to compare these predictions to recent observations.

More information: Stefano Antonini et al, Accelerating Cosmology from a Holographic Wormhole, Physical Review Letters (2023). DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.221601

Journal information: Physical Review Letters

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