Es ist peinlich, aber Astrophysiker sind die ersten, die es zugeben. Unser bestes theoretisches Modell kann nur 5% des Universums erklären. Die restlichen 95% bestehen bekanntlich fast ausschließlich aus unsichtbaren, unbekannten Materialien, die als dunkle Energie und dunkle Materie bezeichnet werden. Obwohl es also eine Milliarde Billion Sterne im beobachtbaren Universum gibt, sind sie eigentlich extrem selten.

Die beiden mysteriösen dunklen Substanzen können nur aus der Gravitationswirkung abgeleitet werden. Dunkle Materie mag ein unsichtbares Material sein, aber sie übt eine Gravitationskraft auf die umgebende Materie aus, die wir messen können. Dunkle Energie ist eine abstoßende Kraft, die das Universum mit zunehmender Geschwindigkeit expandieren lässt. Die beiden wurden immer als getrennte Phänomene behandelt. Aber meine neue Studie, die in Astronomie und Astrophysik veröffentlicht wurde, deutet darauf hin, dass sie beide Teil desselben seltsamen Konzepts sein könnten – einer einzigen, vereinheitlichten “dunklen Flüssigkeit” aus negativen Massen.

Negative Massen sind eine hypothetische Form von Materie, die eine Art negative Schwerkraft haben würde – und alle anderen Materialien um sie herum abstoßen. Im Gegensatz zur bekannten positiven Massenmasse würde sich eine negative Masse, wenn sie geschoben würde, eher zu dir hin beschleunigen als von dir weg.

Negative Massen sind in der Kosmologie keine neue Idee. Genau wie die normale Materie würden sich negative Massenteilchen mit zunehmender Ausdehnung des Universums stärker ausbreiten – was bedeutet, dass ihre abstoßende Kraft mit der Zeit schwächer wird. Studien haben jedoch gezeigt, dass die Kraft, die die beschleunigte Expansion des Universums antreibt, unerbittlich konstant ist. Diese Inkonsistenz hat die Forscher bisher dazu veranlasst, diese Idee aufzugeben. Wenn eine dunkle Flüssigkeit vorhanden ist, sollte sie sich mit der Zeit nicht verdünnen.

In der neuen Studie schlage ich eine Modifikation von Einsteins Theorie der Allgemeinen Relativitätstheorie vor, um zu ermöglichen, dass negative Massen nicht nur existieren, sondern kontinuierlich geschaffen werden. “Matter Creation” war bereits in einer frühen alternativen Theorie zum Urknall enthalten, dem so genannten Steady State Modell. Die Hauptannahme war, dass (positive Masse) Materie kontinuierlich geschaffen wurde, um mit der Expansion des Universums Materie wieder aufzufüllen. Wir wissen nun aus Beobachtungsnachweisen, dass dies falsch ist. Das bedeutet jedoch nicht, dass negative Massenmasse nicht kontinuierlich erzeugt werden kann. Ich zeige, dass diese angenommene dunkle Flüssigkeit nie zu dünn verteilt wird. Stattdessen verhält sie sich genau wie dunkle Energie.

Ich entwickelte auch ein 3D-Computermodell dieses hypothetischen Universums, um zu sehen, ob es auch die physikalische Natur der dunklen Materie erklären könnte. Dunkle Materie wurde eingeführt, um die Tatsache zu erklären, dass sich Galaxien viel schneller drehen, als unsere Modelle vorhersagen. Dies bedeutet, dass zusätzliche unsichtbare Materie vorhanden sein muss, um zu verhindern, dass sie sich auseinanderdrehen.

Mein Modell zeigt, dass die umgebende Abstoßungskraft aus dunkler Flüssigkeit auch eine Galaxie zusammenhalten kann. Die Schwerkraft aus der positiven Massengalaxie zieht negative Massen aus allen Richtungen an, und wenn sich das negative Massenfluid der Galaxie nähert, übt es wiederum eine stärkere Abstoßungskraft auf die Galaxie aus, die es ihr ermöglicht, sich mit höheren Geschwindigkeiten zu drehen, ohne auseinander zu fliegen. Es scheint daher, dass ein einfaches Minuszeichen eines der ältesten Probleme der Physik lösen kann.

Ist das Universum wirklich so seltsam?

Man kann argumentieren, dass dies ein wenig weit hergeholt klingt. Aber obwohl negative Massen bizarr sind, sind sie doch wesentlich weniger seltsam, als man vielleicht sofort denkt. Erstens mögen uns diese Effekte nur seltsam und unbekannt erscheinen, da wir in einer Region leben, die von positiver Masse dominiert wird.

Ob physisch real oder nicht, negative Massen haben bereits eine theoretische Rolle in einer Vielzahl von Bereichen. Luftblasen im Wasser können so modelliert werden, dass sie eine negative Masse aufweisen. Neuere Laboruntersuchungen haben auch Partikel hervorgebracht, die sich genau so verhalten, wie wenn sie eine negative Masse hätten.

Und Physiker sind bereits mit dem Konzept der negativen Energiedichte vertraut. Nach der Quantenmechanik besteht der leere Raum aus einem Feld schwankender Hintergrundenergie, die stellenweise negativ sein kann – was zu Wellen und virtuellen Partikeln führt, die in die und aus der Existenz springen. Dies kann sogar eine winzige Kraft erzeugen, die im Labor gemessen werden kann.

Die neue Studie könnte helfen, viele Probleme der modernen Physik zu lösen. Die Stringtheorie, die unsere beste Hoffnung ist, die Physik der Quantenwelt mit Einsteins Kosmotheorie zu verbinden, wird derzeit als unvereinbar mit Beobachtungsnachweisen angesehen. Die Stringtheorie legt jedoch nahe, dass die Energie im leeren Raum negativ sein muss, was die theoretischen Erwartungen an eine negative dunkle Massenflüssigkeit bestätigt.

Darüber hinaus entdeckte das Team hinter der bahnbrechenden Entdeckung eines sich beschleunigenden Universums überraschend Beweise für eine negative Massenkosmologie, traf aber die angemessene Vorsichtsmaßnahme, diese kontroversen Ergebnisse als “unphysikalisch” zu interpretieren.

Die Theorie könnte auch das Problem der Messung der Expansion des Universums lösen. Dies wird durch das Hubble-Lemaître-Gesetz erklärt, die Beobachtung, dass sich entferntere Galaxien schneller entfernen. Das Verhältnis zwischen der Geschwindigkeit und der Entfernung einer Galaxie wird durch die “Hubble-Konstante” bestimmt, aber die Messungen haben sich weiter verändert. Dies hat zu einer Krise in der Kosmologie geführt. Glücklicherweise sagt eine negative Massenkosmologie mathematisch voraus, dass die “Konstante” des Hubble im Laufe der Zeit variieren sollte. Es gibt eindeutig Hinweise darauf, dass diese seltsame und unkonventionelle neue Theorie unsere wissenschaftliche Aufmerksamkeit verdient.

Wie Sie von hier aus weitermachen können

Der Schöpfer des Bereichs der Kosmologie, Albert Einstein, hat – zusammen mit anderen Wissenschaftlern, darunter Stephen Hawking – negative Massen in Betracht gezogen. Tatsächlich schrieb Einstein 1918 sogar, dass seine Theorie der Allgemeinen Relativitätstheorie modifiziert werden müsse, um sie aufzunehmen.

Trotz dieser Bemühungen könnte eine negative Massenkosmologie falsch sein. Die Theorie scheint Antworten auf so viele derzeit offene Fragen zu geben, dass Wissenschaftler – zu Recht – eher misstrauisch sein werden. Oft sind es jedoch die Out-of-the-Box-Ideen, die Antworten auf langjährige Probleme liefern. Die starken, sich ansammelnden Beweise sind inzwischen so weit fortgeschritten, dass wir diese ungewöhnliche Möglichkeit in Betracht ziehen müssen.

Das größte jemals gebaute Teleskop – das Square Kilometre Array (SKA) – wird die Verteilung der Galaxien in der Geschichte des Universums messen. Ich plane, die SKA zu nutzen, um ihre Beobachtungen mit theoretischen Vorhersagen sowohl für eine negative Massenkosmologie als auch für die Standardkosmologie zu vergleichen – und so letztlich zu beweisen, ob negative Massen in unserer Realität existieren.

Es ist klar, dass diese neue Theorie eine Fülle neuer Fragen aufwirft. Wie bei allen wissenschaftlichen Entdeckungen endet das Abenteuer also nicht hier. Tatsächlich hat die Suche nach dem Verständnis der wahren Natur dieses schönen, vereinten und – vielleicht polarisierten – Universums gerade erst begonnen.