Can nonlocal gravity really explain dark energy?

Stellen Sie sich das Universum als einen riesigen, kosmischen Film vor. Jahrzehntelang waren Physiker die Regisseure, die ein Skript namens Allgemeine Relativitätstheorie verwendeten, um zu erklären, wie die Gravitation funktioniert. Dieses Skript ist ein Meisterwerk; es sagt perfekt voraus, wie Planeten um Sterne kreisen und wie Licht an Schwarzen Löchern gebeugt wird. Doch als die Regisseure versuchten, die gesamte Geschichte des Universums zu filmen, begann das Skript zu glitchen. Ganz am Anfang (im „Ultraviolett“- oder Hochenergie-Regime) bricht die Mathematik zusammen und explodiert. Aber das größere Rätsel ereignet sich gerade jetzt, im „Infrarot“- oder Niedrigenergie-Regime. Wir wissen, dass das Universum nicht einfach nur dahingleitet; es beschleunigt, expandiert immer schneller. Um dies zu erklären, fügt das Standard-Skript einen mysteriösen Charakter namens „Dunkle Energie“ hinzu, der wie eine kosmische Anti-Gravitationskraft wirkt. Dieser Charakter ist jedoch eher ein Platzhalter. Wir wissen nicht, was er ist, und wenn wir versuchen, seinen Wert mithilfe der Quantenphysik zu berechnen, liegen die Zahlen um eine erschreckende Anzahl von 120 Nullen daneben. Es ist, als würde man versuchen, ein Kontobuch auszugleichen und feststellen, dass man um das Gewicht einer Galaxie danebenliegt.

Deshalb fragen sich Wissenschaftler: Ist Dunkle Energie eine reale Substanz, oder fehlen unserem Skript für die Gravitation einfach nur ein paar Seiten? Hier kommt die Arbeit von Salvatore Capozziello, Anupam Mazumdar und Giuseppe Meluccio ins Spiel. Sie erforschen eine radikale Idee: Was wäre, wenn die Gravitation nicht nur davon beeinflusst wird, was hier und jetzt geschieht, sondern auch davon, was dort und damals geschah? In der Physik denken wir normalerweise über die Gravitation als eine lokale Wechselwirkung nach – wie ein Magnet, der eine Büroklammer direkt neben sich anzieht. Aber die „nichtlokale“ Gravitation legt nahe, dass der Gravitationszug an einem Punkt im Raum auch von der Geschichte des Universums zu anderen Zeiten beeinflusst wird. Denken Sie an ein Gespräch, bei dem Ihr aktueller Satz nicht nur durch das geprägt wird, was Ihr Freund gerade jetzt sagt, sondern durch alles, was er gestern, letzte Woche und letztes Jahr gesagt hat. Die Autoren schlagen vor, dass diese „Echos“ aus der Vergangenheit der wahre Grund für die Beschleunigung des Universums sein könnten, was potenziell die Notwendigkeit einer mysteriösen Dunklen-Energie-Substanz vollständig überflüssig macht.

Die Geschichte des Papers: Gravitation mit einem Gedächtnis

In ihrem Paper mit dem Titel „Can nonlocal gravity really explain dark energy?“ untersuchen die Autoren eine spezifische Version dieser Idee, die als Infinite Derivative Gravity (Gravitation mit unendlichen Ableitungen) bezeichnet wird. Anstatt eine neue Zutat wie Dunkle Energie in die kosmische Suppe zu mischen, verändern sie das Rezept der Gravitation selbst. Sie schlagen vor, dass die Gravitation bei sehr niedrigen Energien (der Skala des gesamten Universums) ein „Gedächtnis“ besitzt. Sie reagiert nicht nur auf die Materie direkt vor ihr, sondern integriert Informationen aus der gesamten Geschichte der Expansion des Universums.

Um dies zu testen, konstruierte das Team ein mathematisches Modell des Universums, das diese nichtlokalen Effekte einschließt. Sie haben nicht einfach nur geraten; sie leiteten komplexe Gleichungen ab, die beschreiben, wie sich das Universum entwickeln müsste, wenn die Gravitation tatsächlich über dieses langfristige Gedächtnis verfügt. Die Mathematik war unglaublich knifflig und beinhaltete unendliche Summen und Integrale, die normalerweise ein Albtraum in der Lösung sind. Um dies zu umgehen, entwickelten die Autoren eine clevere Technik. Sie „lokalisierten“ das Problem im Wesentlichen, indem sie diese unendlichen, die gesamte Geschichte umschließenden Gleichungen in eine einfachere Form verwandelten, die gelöst werden konnte – ganz ähnlich wie man ein komplexes, vielschichtiges Tortenrezept in eine handliche Anleitung verwandelt.

Was haben sie herausgefunden?
Die Ergebnisse sind faszinierend. Als sie ihr Modell ausführten, entdeckten sie, dass die nichtlokalen Gravitationseffekte genau zur richtigen Zeit in der Geschichte des Universums einsetzen. Über Milliarden von Jahren verhielt sich das Universum exakt so, wie die Standard-Gravitation es vorhersagt, wobei die Materie die Expansion verlangsamte. Doch dann, als das Universum älter und kühler wurde, wurden die nichtlokalen „Gedächtnis“-Effekte dominant. Plötzlich begann die Expansion zu beschleunigen, genau wie wir es heute beobachten.

Entscheidend ist, dass diese Beschleunigung ohne die Einführung einer kosmologischen Konstante (der Standard-Platzhalter für „Dunkle Energie“) oder neuer Skalarfelder geschah. Die Beschleunigung entstand rein aus der Art und Weise, wie die Gravitation über die kosmische Zeit mit sich selbst interagiert. Die Autoren schlagen vor, dass dieser Mechanismus der wahre Treiber der aktuellen Beschleunigung des Universums sein könnte.

Ein Twist in der Gravitation:
Eine der spielerischen und überraschendsten Vorhersagen ihres Modells ist, dass sich die Stärke der Gravitation selbst ändern könnte. In unserer heutigen Ära deutet das Modell darauf an, dass die „effektive“ Gravitationskonstante – die Zahl, die angibt, wie stark die Gravitation ist – abgenommen hat. Konkret berechnen die Autoren, dass die Gravitation derzeit etwa 82 % so stark ist wie in der Vergangenheit (eine Reduktion von $G$ auf $G/1.22$). Man kann sich das so vorstellen, als würde der „Kleber“ des Universums etwas schwächer werden, was es dem kosmischen Gewebe ermöglicht, sich schneller auszudehnen. Dies ist kein Fehler, sondern ein Merkmal. Die Abschwächung der Gravitation wirkt wie eine abstoßende Kraft, die die Effekte der Dunklen Energie imitiert.

Wie sicher sind sie?
Die Autoren sind vorsichtig damit, den Anspruch zu erheben, das größte Rätsel des Universums gelöst zu haben. Sie beschreiben ihre Ergebnisse als ein „Toy Model“ (Spielzeugmodell), das zeigt, dass es möglich ist, dass nichtlokale Gravitation die Dunkle Energie erklärt. Sie weisen darauf hin, dass ihre Lösung auf bestimmten Näherungen beruht und dass die mathematischen Koeffizienten in ihrer unendlichen Reihe immer noch ein gewisses Mysterium darstellen. Dennoch argumentieren sie, dass das Modell mit Beobachtungen konsistent ist und eine überzeugende Alternative zur Standardansicht bietet. Sie merken zudem an, dass dieser Ansatz gut mit einer anderen berühmten Theorie namens Starobinsky-Gravitation harmoniert, die verwendet wird, um die rapide Expansion des sehr frühen Universums (Inflation) zu erklären. Dies deutet darauf hin, dass die nichtlokale Gravitation der Schlüssel zur Vereinigung der Geschichte des Urknalls und der Geschichte des heutigen beschleunigten Universums sein könnte.

Was kommt als Nächstes?
Das Paper legt nahe, dass wir diese Ideen testen könnten. Wenn die Gravitation wirklich schwächer wird, könnten wir subtile Veränderungen in der Art und Weise sehen, wie Planeten kreisen oder wie Licht über riesige Distanzen reist. Zukünftige Missionen wie das Euclid-Teleskop oder Daten aus dem Lunar Laser Ranging Experiment könnten diese winzigen Abweichungen potenziell aufspüren. Die Autoren kommen zu dem Schluss, dass auch wenn wir es noch nicht mit Sicherheit sagen können, die Idee, dass die Gravitation ein Gedächtnis hat, ein leistungsfähiger, effizienter Mechanismus ist, der schließlich erklären könnte, warum das Universum beschleunigt – und das alles, ohne eine mysteriöse neue Substanz erfinden zu müssen. Es ist eine Erinnerung daran, dass die Antwort auf die größten Probleme des Universums manchmal nicht eine neue Zutat ist, sondern ein besseres Verständnis der alten.