Das Problem des „schönen Universums“ in der Physik

Warum wir die Quantengravitation nicht gelöst haben

Wenn wir Ideen wie die Stringtheorie akzeptieren, müssen wir bereit sein, zusätzliche Dimensionen und zunehmend seltsame Welten zu akzeptieren. Kunst von SGP

Wenn wir Schönheit als Einfachheit definieren, ist das Universum alles andere als schön. Es ist paradox und rätselhaft und überrascht uns mit Beobachtungen, von denen wir nicht immer erwarten, dass sie diese Erwartungen sehen oder manchmal bestätigen, sondern die zu immer größeren Rätseln führen. Es gibt 26 ungünstige Konstanten, die unsere Welt definieren, ein Fehlen jeglicher wirklicher Symmetrie (wir haben nur eine Annäherung an die Symmetrie) und zwei Theorien, die beide die Natur der Realität selbst erfolgreich zu beschreiben scheinen. Chaotisch und manchmal unsinnig. Es ist eine Welt von mathematischen Modellen und Experimenten, die oft unserem Verständnis der Physik widersprechen. Das ultimative Ziel ist jedoch die Schönheit - es geht darum, ein einziges, einfaches Set von Gesetzen zu erreichen, um das Universum zu beschreiben, in dem wir leben. Dies ist nicht anders als bei Maxwells Gleichungen, die zusammen ein elegantes Zeugnis für sich selbst waren: die Vereinigung von Elektrizität und Magnetismus in ein paar einfachen mathematischen Linien.

Elektromagnetismus ist wie die Schwerkraft eine der vier Kräfte des Universums. Nach seinem Erfolg mit der Relativitätstheorie verbrachte Einstein die letzten Jahre seines Lebens damit, Elektromagnetismus und Schwerkraft zusammenzubringen, obwohl er keinen Erfolg hatte. Die verbleibenden zwei Kräfte sind die starke und die schwache Kernkraft. Die starke Atomkraft ist für die immense Freisetzung von Energie bei der Detonation einer Atombombe verantwortlich. Die schwache Kernkraft wird als die Strahlung in der Folge erlebt. Von den vier Kräften lassen sich drei durch die Quantenmechanik und die letzte - die Schwerkraft - durch die allgemeine Relativitätstheorie erklären.

Beide Theorien haben sich bewährt. Ihre Vorhersagen sind genau, beobachtbar und äußerst erfolgreich im Verständnis der Natur der Realität. Aber die Ähnlichkeiten halten nicht lange an. Wo die allgemeine Relativitätstheorie einfach und vorhersehbar ist, ist die Quantenmechanik chaotisch und seltsam. Sie widersprechen sich auf so fundamentale Weise, dass das Zusammenfügen zu unsinnigen Ergebnissen führt. Ereignisse haben zum Beispiel eine unendliche Wahrscheinlichkeit. Die beiden sind so inkompatibel, dass die Gravitation im Standardmodell der Teilchenphysik nicht einmal erwähnt wird. Es scheint angebracht, dass der Nobelpreisträger Niels Bohr, ein Mitarbeiter der Quantentheorie und der Atomstruktur, seine Ideen von denen Einsteins trennen wollte. Einstein wiederum hatte eine turbulente Beziehung zur Quantenmechanik.

Die Unterschiede gehen jedoch über zwei widersprüchliche Theorien hinaus.

In der Allgemeinen Relativitätstheorie - und in den 1980er Jahren bei Beobachtungen von binären Pulsarsystemen wie dem obigen - haben Schwerkraft und Licht die gleiche Geschwindigkeit. Könnte dies eine Verbindung zwischen den beiden implizieren? Bild von ESO / L. Calçada.

Die Schwerkraft ist die schwächste aller Kräfte. Zwischen zwei Partikeln ist die Gravitationskraft 10³⁹ mal schwächer als die elektromagnetische Kraft zwischen diesen beiden Partikeln. Es sind Objekte auf der Skala von Planeten und Sternen erforderlich, damit die Schwerkraft einen wesentlichen Effekt erzielt. Es ist auch kein Partikel zugeordnet. W- und Z-Bosonen sind für die schwache Kernkraft, Gluonen für die starke Kernkraft und Photonen für den Elektromagnetismus verantwortlich. Wo ist das Teilchen für die Schwerkraft verantwortlich? Wo ist die immer schwer fassbare Graviton?

Die Entdeckung eines Gravitons würde die Quantengravitation bestätigen. Es würde helfen, die schwierigste Frage in der gesamten Physik zu beantworten - die Theorie von allem.

Genau wie das Photon durch Elektromagnetismus vorhergesagt wird, ist das Graviton ein Teilchen, von dem angenommen wird, dass es durch die Quantengravitation existiert. Es wäre masselos, elektrisch neutral und hätte einen mechanischen Spin von 2. Tatsächlich ist es das einzige Teilchen, das genau diese Eigenschaften haben könnte. Gravitonen wurden bereits im frühen 20. Jahrhundert von Pionieren der Quantengravitation wie Matvei Bronstein vermutet. Das Erkennen eines Gravitons ist jedoch nicht so einfach wie die Durchführung eines Tischversuchs. In der Quantenwelt ist die Schwerkraft so schwach, dass selbst nach 100 Jahren technologischen Fortschritts nur sehr geringe Chancen bestehen, Gravitationseffekte in einem Experiment der Teilchenphysik zu beobachten. Um eine vernünftige Chance zu haben, ein Graviton zu entdecken, müssten wir einen Apparat bauen, der so massiv ist, dass er in ein Schwarzes Loch einstürzt.

Es besteht die geringste Chance, dass wir diese Partikel mit der heutigen Technologie nachweisen können. Dies würde von zusätzlichen Dimensionen abhängen, die selbst winzig und schwer zu erkennen wären. Wissenschaftler haben mit dem Large Hadron Collider und ähnlichen Teilchenbeschleunigern nach diesen neuen Dimensionen gesucht, sind aber bisher mit leeren Händen aufgetaucht. Diese Prämisse würde auch erklären, warum die Schwerkraft so schwach ist. Wenn die Kraft auf mehrere Bereiche verteilt würde - nicht nur auf die Bereiche, an die wir uns gewöhnt haben -, würde dies in unseren drei physischen Dimensionen viel weniger Kraft verleihen.

Relativität in subatomaren Teilchen bedeutet, dass ein Elektron schließlich in Richtung seines Protons spiralförmig voranschreitet, wenn es durch Gravitationswellen Energie verliert. Wir wissen jedoch, dass sich Elektronen nicht so verhalten.

In einem weiteren Experiment wird versucht, festzustellen, ob sich ein Paar von Mikrodiamanten unter Verwendung ihrer Gravitationsanziehung verwickeln lässt. Verschränkung ist ein Ereignis, das auf der Quantenebene stattfindet. Es ist eine Verbindung zwischen zwei Teilchen, die über die Distanz hinausgehen und es ihnen ermöglichen, scheinbar schneller als mit Lichtgeschwindigkeit zu kommunizieren. Wenn die Mikrodiamanten diesen Verschränkungszustand durch ihre Gravitationsanziehung erreichen können, wäre dies ein starker Hinweis darauf, dass die Gravitation über Gravitonen Quanteneffekte hat. Andere Wissenschaftler widersprechen dieser Behauptung und behaupten, die Ergebnisse seien zwar interessant, könnten aber nicht die vollständige Geschichte der Quantengravitation erzählen. Ganz zu schweigen davon, dass es Jahre dauern kann, bis ein so heikles und teures Experiment durchgeführt wird.

Und doch muss die Schwerkraft, ungeachtet dessen, wie sich Gravitonen uns entziehen können, eine Quantenerklärung haben. Ohne sie ist unsere Beschreibung der subatomaren Welt unvollständig. Die Quantenfeldtheorie berücksichtigt zwar die spezielle Relativitätstheorie und die Raumzeit, muss jedoch noch die Manipulation des Raums einschließen, wie sie durch die allgemeine Relativitätstheorie beschrieben wird.

Hier kommen Konzepte wie die Superstringtheorie ins Spiel. Insbesondere diese Theorie ähnelt unserem Universum mehr als jede andere Theorie, die die Schwerkraft enthält. Es heißt, dass alle Teilchen und Kräfte in unserem Universum aus der Schwingung von Saiten stammen. Die Strings sind die Grundbausteine ​​allen Lebens und unerklärlich klein, aber das Hauptproblem der Stringtheorie ist, dass sie uns keine überprüfbaren Vorhersagen geben. Wenn die Theorie nicht getestet und eingehalten werden kann, wird sie in der wissenschaftlichen Gemeinschaft niemals akzeptiert. Die Theorie hat sich jedoch als hilfreich erwiesen, um die Konsistenz von Ideen in einem mathematischen Kontext zu testen, da es sich schließlich um eine mathematische Struktur handelt.

Ähnlich wie bei der Stringtheorie und den Gravitonen führt die Schleifenquantengravitation zu Dimensionen, die zu klein sind, um sie in Experimenten der Teilchenphysik nachzuweisen. Die Theorie basiert auf diskreter Mathematik und schränkt Raum und Zeit ein, nach deren Ablauf sie nicht mehr teilbar sind (diese Grenze beträgt 10 m² Fläche und 10 ³ Sekunden Zeit). Diese Bereiche können immer noch durch Masse und Energie verzerrt sein, aber ihre endgültige Größe bleibt gleich. Am aufregendsten ist, dass wir möglicherweise bestimmte Effekte der Quantenschleifengravitation in astronomischen Objekten beobachten können. Die Verdampfung von Schwarzen Löchern, kosmischer Hintergrundstrahlung und Gammastrahlenexplosionen sind möglicherweise der Schlüssel zum Testen dieser Theorie.

Infolge der Quantenschleifentheorie bewegt sich Licht unterschiedlicher Farben mit unterschiedlicher Geschwindigkeit durch den Raum, wobei Licht mit längeren Wellenlängen (rot, orange, gelb) langsamer als das Licht mit kürzeren Wellenlängen (grün, blau, violett) wandert. Studien von hellen Gamma-Explosionen haben jedoch bisher gezeigt, dass sich alle Lichtfarben mit der gleichen Geschwindigkeit bewegen.

Die mysteriösesten Aspekte unseres Universums - die monströsen Singularitäten und der Moment vor dem Urknall - sind nicht nur von großen Entfernungen und längst vergangenen Zeiten eingehüllt, sondern auch von ihrem Widerstand gegen unsere besten Theorien der Physik. Sie nehmen diese Ideen und zerreißen sie in Fetzen. Sie hinterlassen ein Verständnis dieser Welt, von der wir jedoch wissen, dass sie fragmentiert ist. Und doch ist es auch eine Reise. Im Laufe der Jahre haben sich unsere Erkenntnisse und unser Verständnis in einem Punkt vereinigt und uns signalisiert, dass diese eine maßgebliche Theorie existieren muss.

Muss es nicht?

Einige Wissenschaftler, wie der theoretische Physiker Freeman Dyson, glauben nicht, dass eine Theorie von allem notwendig ist. Die klassische Welt und die Welt der Quantenmechanik sind so unterschiedlich wie Vergangenheit und Gegenwart. Wo man uns die Entstehung des Kosmos und die Entstehung der Erde zeigen kann, gibt uns der andere statistische Wahrscheinlichkeiten der Zukunft. Ja, sie sind sehr unterschiedlich und das ist in Ordnung. Die Notwendigkeit, die beiden zu versöhnen, könnte unsere Affinität zur Schönheit sein, die diesen beiden gut funktionierenden Theorien auferlegt wird. Einfachheit und Eleganz sind das Ziel; aber diese zwei Wörter können möglicherweise nicht auf das Universum zutreffen. Würde es das wirklich weniger schön machen?