Die Quantengravitation versucht, Einsteins allgemeine Relativitätstheorie mit der Quantenmechanik zu kombinieren. Quantenkorrekturen an der klassischen Schwerkraft werden als Schleifendiagramme dargestellt, wie hier in Weiß gezeigt. Bildnachweis: SLAC National Accelerator Lab.

10 Raumzeit-Rätsel, die die Quantengravitation lösen könnte

Es gibt viele Fragen, auf die wir keine Antwort wissen. Mit der Quantengravitation könnten sie gelöst werden!

Dieser Artikel wurde von Sabine Hossenfelder verfasst. Sabine ist eine theoretische Physikerin, die sich auf Quantengravitation und Hochenergiephysik spezialisiert hat. Sie schreibt auch freiberuflich über Wissenschaft.

Einsteins allgemeine Relativitätstheorie, bei der die Schwerkraft durch die Krümmung der Raumzeit verursacht wird, ist beeindruckend. Es wurde mit einer unglaublichen Präzision bestätigt, die sich in einigen Fällen auf fünfzehn signifikante Zahlen erstreckt. Eine der erstaunlichsten Vorhersagen ist die Existenz von Gravitationswellen: kleine Störungen in der Raumzeit, die sich frei bewegen. Diese Wellen werden nun regelmäßig durch die LIGO / VIRGO-Experimente erfasst.

Wir wissen jedoch, dass die allgemeine Relativitätstheorie unvollständig ist. Es funktioniert gut, wenn die Quanteneffekte der Raumzeit gering sind, was fast immer der Fall ist. Aber wenn die Quanteneffekte der Raumzeit groß werden, brauchen wir eine bessere Theorie: eine Theorie der „Quantengravitation“.

Ein Beispiel für das frühe Universum, das aus Quantenschaum besteht, bei dem die Quantenfluktuationen auf kleinsten Skalen groß, vielfältig und wichtig sind. Bildnachweis: NASA / CXC / M.Weiss.

Da wir die Theorie der Quantengravitation noch nicht kennen, wissen wir nicht wirklich, was Raum und Zeit sind. Wir haben mehrere Kandidatentheorien für die Quantengravitation, aber keine davon wird allgemein akzeptiert. Basierend auf den bestehenden Ansätzen können wir jedoch spekulieren, was mit Raum und Zeit in einer Theorie der Quantengravitation passieren könnte. Hier habe ich die zehn umwerfendsten Spekulationen für Sie zusammengestellt:

1.) In der Quantengravitation erwarten wir, dass die Raumzeit auch ohne Materie stark schwankt. In der Quantenwelt ruht das Vakuum niemals und Raum und Zeit auch nicht.

Auf den kleinsten Quantenskalen könnte das Universum mit winzigen, mikroskopisch kleinen schwarzen Löchern mit geringer Masse gefüllt sein. Diese Löcher könnten sich auf sehr interessante Weise verbinden oder nach innen erstrecken. Bildnachweis: NASA.

2.) Die Quantenraumzeit könnte mit mikroskopisch kleinen Schwarzen Löchern voll sein. Noch seltsamer, es könnte Wurmlöcher haben oder Babyuniversen entstehen lassen, die kleine Blasen sind, die sich aus dem Mutteruniversum abquetschen.

3.) Und da dies eine Quantentheorie ist, könnte die Raumzeit all diese Dinge gleichzeitig tun! Es könnte sowohl ein Babyuniversum als auch nicht gleichzeitig eines erschaffen.

Der Stoff der Raumzeit ist möglicherweise überhaupt kein Stoff, sondern kann aus diskreten Komponenten bestehen, die uns nur in größeren makroskopischen Maßstäben als kontinuierlicher Stoff erscheinen.

4.) In den meisten Ansätzen zur Quantengravitation ist Raum-Zeit nicht grundlegend, sondern besteht aus etwas anderem. Dies können Strings, Loops, Qbits oder eine Variante von Raum-Zeit-Atomen sein, die in Ansätzen auf der Basis kondensierter Materie auftreten. Die einzelnen Bestandteile können jedoch nur gelöst werden, wenn sie mit extrem hohen Energien untersucht werden, weit über das hinaus, was wir auf der Erde erreichen können.

5.) In einigen Ansätzen auf der Basis von kondensierter Materie hat die Raumzeit Eigenschaften wie ein Feststoff oder eine Flüssigkeit, so dass sie elastisch oder viskos sein kann. In diesem Fall kann dies zu beobachtbaren Konsequenzen führen. Derzeit suchen Physiker nach solchen Effekten, indem sie Botenpartikel, z. B. Licht oder Elektronen, untersuchen, die uns von weit her im Kosmos erreichen.

Schematische Animation eines kontinuierlichen Lichtstrahls, der von einem Prisma gestreut wird. In einigen Ideen, die für die Quantengravitation relevant sind, kann der Raum selbst als dispersives Medium für verschiedene Wellenlängen des Lichts wirken. Bildnachweis: LucasVB / Wikimedia Commons.

6.) Raum-Zeit kann beeinflussen, wie Licht durch sie wandert. Es ist möglicherweise nicht vollständig transparent, oder Licht unterschiedlicher Farben bewegt sich möglicherweise mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten. Dieser Effekt wird als „Dispersion“ bezeichnet. Wenn die Quantenraumzeit die Ausbreitung des Lichts beeinflusst, könnte dies auch in zukünftigen Experimenten beobachtet werden.

7.) Raum-Zeit-Schwankungen können die Fähigkeit von Licht von entfernten Quellen zerstören, Interferenzmuster zu erzeugen. Dieser Effekt wurde gesucht und nicht gefunden, zumindest nicht so weit und nicht im sichtbaren Bereich.

Licht, ob durch zwei dicke Schlitze (oben), zwei dünne Schlitze (Mitte) oder einen dicken Schlitz (unten), zeigt Anzeichen von Interferenz und weist auf eine wellenartige Natur hin. In der Quantengravitation können jedoch einige erwartete Interferenzeigenschaften unmöglich sein. Bildnachweis: Benjamin Crowell.

8.) In Regionen mit starker Krümmung kann sich Zeit in Raum verwandeln. Dies kann beispielsweise innerhalb von Schwarzen Löchern oder beim Urknall geschehen. In einem solchen Fall könnte sich das, was wir heute als Raumzeit mit drei Raumdimensionen und einer Zeitdimension kennen, in einen vierdimensionalen „euklidischen“ Raum verwandeln.

Die Verbindung zweier unterschiedlicher Orte entweder räumlich oder zeitlich über ein Wurmloch bleibt nur eine theoretische Idee, ist jedoch eine faszinierende Möglichkeit, die nicht nur wichtig, sondern auch unvermeidlich für die Quantengravitation sein kann. Bildnachweis: Wikimedia Commons-Benutzer Kes47.

9.) Raum-Zeit könnte nicht lokal mit winzigen Abkürzungen verbunden sein, die sich über das gesamte Universum erstrecken. Solche nicht lokalen Verbindungen sollten in allen Ansätzen existieren, deren zugrunde liegende Struktur nicht geometrisch ist, wie z. B. ein Graph oder ein Netzwerk. Dies liegt daran, dass in solchen Fällen der Begriff „in der Nähe“ nicht grundlegend ist, sondern nur abgeleitet wird, und er sollte unvollkommen sein, damit gelegentlich sehr entfernte Orte versehentlich miteinander verbunden werden.

Der Four Qubit Square Circuit von IBM, ein wegweisender Fortschritt bei Berechnungen, könnte zu Computern führen, die leistungsfähig genug sind, um ein ganzes Universum zu simulieren. Das Gebiet der Quantenberechnung steckt jedoch noch in den Kinderschuhen. Bildnachweis: IBM Research.

10.) Um die Quantentheorie mit der Schwerkraft zu kombinieren, müssen wir möglicherweise nicht die Schwerkraft aktualisieren, sondern die Quantentheorie selbst. In diesem Fall könnten die Folgen weitreichend sein. Da die Quantentheorie allen elektronischen Geräten zugrunde liegt und geändert werden muss, könnte dies völlig neue Möglichkeiten eröffnen.

Obwohl die Quantengravitation oft als entfernte theoretische Idee angesehen wird, gibt es viele mögliche Wege, um sie einem Beobachtungs- oder experimentellen Test zu unterziehen. Es wurden bereits einige wichtige Einschränkungen bei der Durchführung dieser Beobachtungen und Messungen festgestellt. Wir alle reisen jeden Tag durch die Raumzeit. Das zu verstehen könnte unser Leben verändern.

Starts With A Bang ist jetzt auf Forbes und dank unserer Patreon-Unterstützer auf Medium neu veröffentlicht. Ethan hat zwei Bücher verfasst, Beyond The Galaxy und Treknology: The Science of Star Trek von Tricorders bis Warp Drive.