Quintessenz (Physik) - Quintessence (physics)

In der Physik ist Quintessenz eine hypothetische Form dunkler Energie , genauer gesagt ein Skalarfeld , das als Erklärung für die Beobachtung einer beschleunigten Expansion des Universums postuliert wird . Das erste Beispiel für dieses Szenario wurde von Ratra und Peebles (1988) vorgeschlagen. Das Konzept wurde auf allgemeinere Arten von zeitvariabler dunkler Energie erweitert und der Begriff "Quintessenz" wurde erstmals 1998 in einem Aufsatz von Robert R. Caldwell , Rahul Dave und Paul Steinhardt eingeführt . Es wurde von einigen Physikern als fünfte Grundkraft vorgeschlagen . Quintessenz unterscheidet sich von der kosmologischen konstanten Erklärung der Dunklen Energie dadurch, dass sie dynamisch ist; das heißt, sie ändert sich mit der Zeit, anders als die kosmologische Konstante, die sich definitionsgemäß nicht ändert. Quintessenz kann je nach Verhältnis ihrer kinetischen und potentiellen Energie entweder anziehend oder abstoßend sein. Diejenigen, die mit diesem Postulat arbeiten, glauben, dass die Quintessenz vor etwa zehn Milliarden Jahren, etwa 3,5 Milliarden Jahre nach dem Urknall, abstoßend wurde .

Skalarfeld

Quintessenz ( Q ) ist ein skalares Feld mit einer Zustandsgleichung wobei w _q , das Verhältnis von Druck p _q und Dichte _q , durch die potentielle Energie und einen kinetischen Term gegeben ist: ${\displaystyle \rho}$${\displaystyle V(Q)}$

${\displaystyle w_{q}={\frac {p_{q}}{\rho_{q}}}={\frac {{\frac {1}{2}}{\dot {Q}}^{ 2}-V(Q)}{{\frac{1}{2}}{\dot{Q}}^{2}+V(Q)}}}$

Daher ist Quintessenz dynamisch und weist im Allgemeinen eine Dichte und einen w _q -Parameter auf, die sich mit der Zeit ändern. Im Gegensatz dazu ist eine kosmologische Konstante statisch, mit einer festen Energiedichte und w _q  = −1.

Tracker-Verhalten

Viele Quintessenzmodelle haben ein Tracker- Verhalten, das nach Ratra und Peebles (1988) und Paul Steinhardt et al. (1999) löst teilweise das kosmologische Konstantenproblem . In diesen Modellen hat das Quintessenzfeld eine Dichte, die der Strahlungsdichte genau folgt (aber kleiner ist als) bis zur Gleichheit der Materie-Strahlung , was dazu führt, dass die Quintessenz ähnliche Eigenschaften wie dunkle Energie aufweist und schließlich das Universum dominiert. Dies legt natürlich die niedrige Skala der dunklen Energie fest. Beim Vergleich der vorhergesagten Expansionsrate des Universums, wie sie durch die Tracker-Lösungen gegeben ist, mit kosmologischen Daten, ist ein Hauptmerkmal von Tracker-Lösungen, dass man vier Parameter benötigt, um das Verhalten ihrer Zustandsgleichung richtig zu beschreiben , wobei gezeigt wurde, dass höchstens ein Zweiparametermodell kann optimal durch mittelfristige Zukunftsdaten (Horizont 2015–2020) eingeschränkt werden.

Spezifische Modelle

Einige Spezialfälle der Quintessenz sind Phantomenergie , bei der w _q  < −1 ist, und k-Essenz (kurz für kinetische Quintessenz), die eine nicht standardmäßige Form der kinetischen Energie hat . Wenn diese Art von Energie existieren würde, würde sie aufgrund der wachsenden Energiedichte der dunklen Energie einen großen Riss im Universum verursachen, der dazu führen würde, dass die Expansion des Universums schneller als exponentiell zunimmt.

Holographische dunkle Energie

Holographische Dunkelenergiemodelle im Vergleich zu kosmologischen Konstantenmodellen implizieren eine hohe Entartung . Es wurde vermutet, dass dunkle Energie aus Quantenfluktuationen der Raumzeit stammen könnte und durch den Ereignishorizont des Universums begrenzt ist.

Studien mit der Quintessenz der Dunklen Energie haben ergeben, dass sie den Gravitationskollaps in einer Raumzeitsimulation dominiert, die auf der holographischen Thermalisierung basiert. Diese Ergebnisse zeigen, dass die Thermalisierung des Plasmas umso schwieriger ist, je kleiner der Zustandsparameter der Quintessenz ist.

Quintom-Szenario

Als Wissenschaftler 2004 die Entwicklung der Dunklen Energie mit den kosmologischen Daten abglichen, fanden sie heraus, dass die Zustandsgleichung möglicherweise die kosmologische Konstantengrenze ( w = –1) von oben nach unten überschritten hatte . Ein bewährtes No-Go-Theorem zeigt, dass diese Situation, das sogenannte Quintom-Szenario , mindestens zwei Freiheitsgrade für Dunkelenergiemodelle erfordert.

Terminologie

Der Name kommt von Quinta Essentia (fünftes Element). Ab dem Mittelalter im Lateinischen so genannt, war dies das Element, das Aristoteles zu den anderen vier antiken klassischen Elementen hinzufügte , weil er es für die Essenz der himmlischen Welt hielt. Aristoteles nannte dieses Element Äther , das er als reines, feines und ursprüngliches Element postulierte. In ähnlicher Weise wäre die moderne Quintessenz der fünfte bekannte "dynamische, zeitabhängige und räumlich inhomogene" Beitrag zum gesamten Masse-Energie-Gehalt des Universums.

Natürlich sind die anderen vier Komponenten nicht die altgriechischen klassischen Elemente , sondern eher „ Baryonen , Neutrinos , Dunkle Materie , [und] Strahlung “. Obwohl Neutrinos manchmal als Strahlung bezeichnet werden, wird der Begriff "Strahlung" in diesem Zusammenhang nur verwendet, um sich auf masselose Photonen zu beziehen . Eine räumliche Krümmung des Kosmos (die nicht entdeckt wurde) wird ausgeschlossen, da sie nicht dynamisch und homogen ist; die kosmologische Konstante würde in diesem Sinne nicht als fünfte Komponente angesehen, da sie nicht dynamisch, homogen und zeitunabhängig ist.

Siehe auch

• Äther (klassisches Element)

Verweise

Weiterlesen

• Ostriker JP; Steinhardt P. (Januar 2001). „Das Quintessenzuniversum“. Wissenschaftlicher Amerikaner . 284 (1): 46–53. Bibcode : 2001SciAm.284a..46O . doi : 10.1038/scientificamerican0101-46 . PMID  11132422 .
• Lawrence M. Krauss (2000). Quintessenz: Die Suche nach fehlender Masse im Universum . Grundbücher . ISBN 978-0465037414.