Stellen Sie sich vor, wenn Sie können, was es bedeuten würde, ein Universum zu haben, in dem es absolut nichts gibt. Man könnte alle verschiedenen Quanten von Materie und Energie entfernen und ein Universum ohne Teilchen oder Antiteilchen irgendeiner Art hinterlassen. Sie könnten alle Quellen der Gravitation oder der räumlichen Krümmung entfernen und Ihr Universum auf nichts anderes als rein leeren Raum reduzieren. Sie könnten das Universum von allen externen elektrischen, magnetischen oder kernkraftausübenden Feldern abschirmen und so deren möglichen Einfluss auf die von Ihnen betrachtete Raumzeit eliminieren. Selbst wenn Sie all das tun, würden Sie immer noch nicht „Null“ auf Ihrer Bilanz für die Energie des Universums erhalten. Das will Niels Hermes wissen, als er sich einschreibt und fragt:

Wäre es möglich, das Konzept der Nullpunktenergie zu beleuchten?

Es ist ein herausforderndes Konzept, aber lassen Sie uns einen Versuch wagen.

Für jedes physikalische System, das wir uns ausdenken können, wird es immer mindestens eine Konfiguration geben, in die wir es bringen können, die die niedrigste Gesamtenergie hat. Für eine Reihe von Massen, die vom Rest des Universums isoliert sind, ist das ein Schwarzes Loch. Für ein Proton und ein Elektron ist das ein Wasserstoffatom im Grundzustand (d.h. im Zustand mit der niedrigsten Energie). Und für das Universum selbst ist das der Aufbau eines leeren Raums in Abwesenheit jeglicher externer Felder oder Quellen.

Dieser Zustand mit der niedrigsten Energie ist als Nullpunkt-Energiezustand bekannt. Lange Zeit nahmen Wissenschaftler, die das Universum untersuchten, an, dass die Nullpunktsenergie gleich Null ist. Nicht aus irgendeinem physikalischen Grund, wohlgemerkt, sondern weil wir nur zwei Möglichkeiten hatten, zu versuchen, ihn zu erreichen, und beide gaben Antworten, die auf Probleme mit jedem anderen Wert als Null hinwiesen.

Das erste Mal tauchte die Idee einer Nullpunktsenergie des Raums im Zusammenhang mit Einsteins (damals neuer) Gravitationstheorie auf: Die Allgemeine Relativitätstheorie. Nach Einstein bestimmt die Krümmung des Raums das zukünftige Verhalten von Materie und Energie im Universum, und die Anwesenheit von Materie und Energie bestimmt die Krümmung des Raums.

Nun ja, fast. Das Vorhandensein von Materie und Energie bestimmt die Krümmung des Raums fast vollständig, aber es steht Ihnen frei, dem Raum selbst eine Konstante hinzuzufügen. (Diejenigen von Ihnen, die Kalkül belegt haben, werden diese Konstante als etwas erkennen, das immer dann auftritt, wenn Sie ein Integral berechnen: Sie bestimmen die Antwort vollständig, bis zu einer additiven Konstante, „plus c“.) Diese Konstante, was auch immer sie ist, repräsentiert die Nullpunktenergie des Raums. Als wir das sich ausdehnende Universum entdeckten, war die Konstante völlig unnötig und wurde als solche für etwa 60+ Jahre weggeworfen.

Das zweite Mal tauchte die Idee der Nullpunktenergie auf, als die Quantenfeldtheorie an Bedeutung gewann. Zusätzlich zu all den Möglichkeiten, wie Teilchen durch die Quantenfelder, die das Universum durchdringen, miteinander wechselwirken konnten, gab es auch „Vakuum“-Beiträge, die darstellten, wie sich Quantenfelder im Vakuum des Raums verhielten.

Einzelne Kanäle trugen enorme Mengen zu dem bei, was wir den „Vakuumerwartungswert“ dieser Felder nannten, der typischerweise etwa ~120 Größenordnungen über den Beobachtungsgrenzen lag. Aber einige waren positiv und andere negativ, und viele nahmen an, dass sie sich alle aufheben würden. Außerdem erwiesen sich einige Feldtheorien als exakt äquivalent zu freien Theorien (deren Vakuumerwartungswerte Null waren), und so nahmen wir wiederum an, dass die Nullpunktenergie Null war.

Und dann, ganz am Ende des 20. Jahrhunderts, geschah das Undenkbare. Wir hatten immer erwartet, dass sich das Universum ausdehnt, dass die Gravitation die Ausdehnung verlangsamt und dass entweder:

• die Gravitation gewinnen und die Ausdehnung sich umkehren würde,
• die Ausdehnung gewinnen und sich für immer und ewig verlangsamen würde,
• oder sie würden sich genau ausgleichen und die Ausdehnung würde asymptotisch gegen Null gehen, sich aber nie ganz umkehren.

Aber dann entdeckten wir, dass sich die Expansion des Universums überhaupt nicht verlangsamte, sondern dass sich entfernte Galaxien mit der Zeit immer schneller von uns entfernten. Das Universum bestand nicht nur aus Materie und Strahlung, sondern schien eine neue Form von Energie zu enthalten: das, was wir heute dunkle Energie nennen. In den 22 Jahren seit dieser ersten Entdeckung wurde die dunkle Energie nicht nur durch viele Beweise bestätigt, sondern es wurde auch nachgewiesen, dass sie mit großer Genauigkeit nicht von einer kosmologischen Konstante zu unterscheiden ist.

Deshalb interessieren wir uns für die Nullpunktenergie des Raums. Beobachtungen aus vielen Beweislinien – einschließlich des kosmischen Mikrowellenhintergrunds, entfernter Lichtquellen (wie Supernovae) und der Galaxienhäufung im Universum – deuten alle auf denselben winzigen, von Null verschiedenen Wert für die Menge an dunkler Energie im Universum hin. Sie scheint eine Form von Energie zu sein, die dem Raum selbst innewohnt, sie scheint sich nicht mit der Zeit zu verändern, sie scheint überall und immer eine konstante Dichte zu haben, und wir wissen nicht, was sie verursacht.

Deshalb haben wir eine so starke Motivation zu versuchen, zu verstehen, was die Nullpunktsenergie des Raums ist: gerade weil wir die Expansion des Universums, die von ihr abhängt, als unvereinbar mit einem Wert von Null für diese Größe messen. Genauso wie Wasserstoffatome eine endliche Energie für ihren Grundzustand haben, muss auch die Grundzustandsenergie des leeren Raums selbst endlich sein.

Das bringt uns zu der großen Frage: Warum? Warum ist die Nullpunktenergie des Raums der Wert, der sie ist? Es gibt viele plausible Antworten, aber jede von ihnen ist auf irgendeine Weise unbefriedigend.

Es könnte sein, dass die kosmologische Konstante aus der Allgemeinen Relativitätstheorie einfach den positiven Wert hat, den sie hat. Sie darf jeden beliebigen Wert annehmen, und alles, was wir beobachten, stimmt damit überein, dass die Nullpunktenergie des Raums seit dem Beginn des heißen Urknalls einen kleinen, konstanten, positiven Wert hat. Das ist verlockend, weil es keine neue Physik erfordert: Wir können erklären, was wir beobachten, indem wir einen freien Parameter gleich dem korrekten beobachteten Wert setzen. Aber es ist unbefriedigend, weil es keinen Mechanismus oder eine Argumentation gibt, die uns hilft zu verstehen, warum er den Wert hat, den er hat.

Alternativ könnte es sein, dass die Nullpunktenergie aller Quantenfelder, die das Universum durchdringen, sich zu dem beobachteten Wert summiert, der für die dunkle Energie erforderlich ist. Wenn wir wüssten, wie man diesen Wert korrekt berechnet, kämen wir vielleicht auf die richtige Antwort.

Das Problem bei diesem Szenario ist, dass wir nicht wissen, wie man diese Berechnung durchführt, und alle unsere Versuche liefern uns eine Antwort, die lächerlich zu groß ist. Es ist möglich, dass es eine fast perfekte, aber nicht ganz perfekte Stornierung gibt, die uns zum richtigen Wert führt, aber das ist ein schwieriger Vorschlag, auf den man wetten kann. „Wir wissen nicht, wie das geht, und die Aufgabe scheint schwierig zu sein, aber es ist nicht bewiesen, dass sie unmöglich ist“, ist nicht gerade ein überzeugender Gedankengang.

Aber es gibt immer auch Szenarien der „neuen Physik“, die man in Betracht ziehen kann. Es ist möglich, dass es keine kosmologische Konstante und keinen Beitrag zur Nullpunktenergie aus den uns bekannten Quantenfeldern gibt. Wir könnten stattdessen eine neue Art von Feld im Universum postulieren, das sein könnte:

• ein Beitrag von welcher Quantentheorie der Gravitation auch immer, die sich als korrekt herausstellt,
• ein übrig gebliebenes Relikt von einer früheren gebrochenen Symmetrie im Universum (von der großen Vereinigungsskala, der Higgs-Skala, dem Neutrino-Sektor, etc.), die die Nullpunktsenergie einfach auf ihren jetzigen Wert ungleich Null setzt,
• dass es ein Relikt von Energie aus unserer früheren Inflationsepoche gibt, die nicht ganz auf Null gegangen ist,
• oder dass die hochspekulative Idee der Stringlandschaft, die selbst viele unbewiesene, beweisfreie Annahmen darüber erfordert, wie sich das Universum vor dem heißen Urknall verhalten hat, einfach auf dem Wert „gelandet ist, den wir heute sehen“ für den Wert der Nullpunktenergie (oder Vakuumerwartungswert) des leeren Raums.

In Ermangelung einer Lösung sollten alle Möglichkeiten – egal wie unmotiviert sie erscheinen – in Betracht gezogen werden.

Aber egal, wie die Antwort auf das Rätsel der Nullpunktenergie lautet, es gibt zwei Fakten, die wir nicht leugnen können. Die erste ist, dass die dunkle Energie real ist, untermauert durch eine Reihe unabhängiger Beweislinien, ohne die unser Universum einfach nicht auskommt. Sie ist konsistent damit, überall im Raum und in der Zeit einen konstanten Wert zu haben: Sie verhält sich auf eine Art und Weise, die nicht davon zu unterscheiden ist, dass der Raum eine konstante Nullpunktenergie hat, die nicht Null ist.

Die zweite Tatsache ist, dass wir, wie auch immer die Lösung aussieht, immer noch mit der Anwesenheit von Quantenfeldern rechnen müssen – die von den Gesetzen der Physik vorgeschrieben werden – die unser Universum durchdringen. Solange wir nicht wissen, wie wir diesen Wert berechnen können, erfordert jede vorgeschlagene Lösung, dass wir eine unbegründete Annahme darüber treffen, wie hoch dieser Wert ist. Die Nullpunkt-Energie des leeren Raumes ist unvereinbar mit einem Wert von Null. Es gibt viele mögliche Ursprünge dieser Nicht-Null-Wert, aber seine ultimative Ursache bleibt immer noch ein Rätsel.

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