Die Schwerkraft war die erste fundamentale Kraft, die die Menschheit erkannte, und doch ist sie die am wenigsten verstandene. Physiker können den Einfluss der Schwerkraft auf Bowlingkugeln, Sterne und Planeten mit exzellenter Genauigkeit vorhersagen, aber niemand weiß, wie die Kraft mit winzigen Teilchen, den Quanten, interagiert. Die fast hundertjährige Suche nach einer Theorie der Quantengravitation – einer Beschreibung, wie die Kraft auf die kleinsten Teile des Universums wirkt – wird von der einfachen Erwartung angetrieben, dass ein Gravitationsregelwerk für alle Galaxien, Quarks und alles dazwischen gelten sollte.
„Wenn es keine Theorie gibt, dann ist das Universum nur Chaos. Es ist einfach nur zufällig“, sagte Netta Engelhardt, eine theoretische Physikerin am Massachusetts Institute of Technology. „Ich kann nicht einmal sagen, dass es chaotisch oder zufällig wäre, denn das sind eigentlich legitime physikalische Prozesse.“
Die Grenzen der allgemeinen Relativitätstheorie
Im Zentrum des dornigsten Problems der theoretischen Physik steht der Konflikt zwischen den beiden größten Erfolgen des Fachs. Albert Einsteins allgemeine Relativitätstheorie ersetzte Isaac Newtons Vorstellung einer einfachen Anziehung zwischen Objekten durch eine Beschreibung von Materie oder Energie, die Raum und Zeit um sich herum krümmt, und von Objekten in der Nähe, die diesen gekrümmten Bahnen folgen und sich so verhalten, als ob sie voneinander angezogen würden. In Einsteins Gleichungen ist die Schwerkraft die Form des Raums selbst. Seine Theorie behielt die traditionelle Beschreibung eines glatten, klassischen Universums bei – eines, in dem man immer weiter auf einen kleineren Fleck des Raums heranzoomen kann.
Die allgemeine Relativitätstheorie besteht nach wie vor jeden Test, den Astrophysiker mit ihr machen, einschließlich Situationen, die sich Einstein nie hätte vorstellen können. Die meisten Experten gehen jedoch davon aus, dass Einsteins Theorie eines Tages scheitern wird, weil das Universum letztlich nicht glatt, sondern holprig erscheint. Planeten und Sterne sind in Wirklichkeit Ansammlungen von Atomen, die wiederum aus Elektronen und Bündeln von Quarks bestehen. Diese Teilchen hängen zusammen oder brechen auseinander, indem sie andere Arten von Teilchen austauschen, was zu Anziehungs- und Abstoßungskräften führt.
Elektrische und magnetische Kräfte zum Beispiel entstehen durch den Austausch von Teilchen, die als virtuelle Photonen bezeichnet werden. Die Kraft, die einen Magneten am Kühlschrank festhält, lässt sich beispielsweise als gleichmäßiges, klassisches Magnetfeld beschreiben, aber die feinen Details des Feldes hängen von den Quantenteilchen ab, die es erzeugen. Von den vier Grundkräften des Universums (Schwerkraft, Elektromagnetismus, starke und schwache Kernkraft) fehlt nur der Schwerkraft die „Quanten“-Beschreibung. Daher weiß niemand mit Sicherheit (obwohl es viele Ideen gibt), woher Gravitationsfelder kommen oder wie sich einzelne Teilchen in ihnen verhalten.
Die seltsame Kraft
Das Problem ist, dass die Schwerkraft uns zwar am Boden festhält und allgemein als Kraft wirkt, die allgemeine Relativitätstheorie aber auf etwas anderes hindeutet, nämlich auf die Form des Raums selbst. Andere Quantentheorien behandeln den Raum als flache Kulisse, vor der gemessen wird, wie weit und schnell Teilchen fliegen. Das Ignorieren der Krümmung des Raums für Teilchen funktioniert, weil die Schwerkraft so viel schwächer ist als die anderen Kräfte, dass der Raum flach aussieht, wenn man auf etwas so Kleines wie ein Elektron zoomt. Die Auswirkungen der Schwerkraft und der Krümmung des Raums sind relativ offensichtlich, wenn man sie weiter herauszoomt, wie bei Planeten und Sternen. Aber wenn Physiker versuchen, die Krümmung des Raums um ein Elektron zu berechnen, so gering sie auch sein mag, wird die Rechnung unmöglich.
In den späten 1940er Jahren entwickelten Physiker eine Technik, die Renormierung genannt wird, um mit den Unwägbarkeiten der Quantenmechanik umzugehen, die es einem Elektron erlauben, eine langweilige Reise auf unendlich viele Arten aufzupeppen. So kann es zum Beispiel ein Photon abschießen. Dieses Photon kann sich in ein Elektron und seinen Antimaterie-Zwilling, das Positron, aufspalten. Diese Paare können dann weitere Photonen abschießen, die sich wiederum in weitere Zwillinge aufspalten können, und so weiter. Während man für eine perfekte Berechnung die unendliche Vielfalt der Elektronenausflüge aufzählen müsste, konnten die Physiker dank der Renormierung die widerspenstigen Möglichkeiten in einigen wenigen messbaren Zahlen zusammenfassen, z. B. die Elektronenladung und -masse. Sie konnten diese Werte nicht vorhersagen, aber sie konnten Ergebnisse aus Experimenten einfügen und sie verwenden, um andere Vorhersagen zu machen, z. B. wohin das Elektron reist.
Die Renormierung funktioniert nicht mehr, wenn theoretische Gravitationsteilchen, so genannte Gravitonen, die Szene betreten. Gravitonen haben auch ihre eigene Energie, was zu einer weiteren Verkrümmung des Raums und zu weiteren Gravitonen führt, die wiederum weitere Verkrümmungen und weitere Gravitonen erzeugen und so weiter, was im Allgemeinen zu einem riesigen mathematischen Chaos führt. Selbst wenn Physiker versuchen, einige der Unendlichkeiten zu stapeln, um sie experimentell zu messen, ertrinken sie in einer unendlichen Anzahl von Stapeln.
„Das bedeutet, dass man unendlich viele Experimente braucht, um irgendetwas zu bestimmen“, sagte Engelhardt, „und das ist keine realistische Theorie.“
In der Praxis wird dieses Versäumnis, sich mit der Krümmung um Teilchen herum zu befassen, in Situationen fatal, in denen viel Masse und Energie den Raum so stark verdrehen, dass selbst Elektronen und ihresgleichen nicht umhin können, dies zu bemerken – wie im Fall von schwarzen Löchern. Aber alle Teilchen, die sich in der Nähe – oder schlimmer noch – im Inneren – der Gruben der Raumzeit befinden, kennen die Spielregeln, auch wenn die Physiker das nicht wissen.
„Die Natur hat einen Weg gefunden, schwarze Löcher existieren zu lassen“, schrieb Robbert Dijkgraaf, Direktor des Institute for Advanced Study in Princeton, New Jersey, in einer Veröffentlichung des Instituts. „Jetzt ist es an uns, herauszufinden, was die Natur weiß und wir noch nicht.“
Die Schwerkraft ins Spiel bringen
Mit Hilfe einer Annäherung an die allgemeine Relativitätstheorie (Engelhardt nannte sie ein „Pflaster“) haben Physiker eine Vorstellung davon entwickelt, wie Gravitonen aussehen könnten, aber niemand rechnet damit, sie in nächster Zeit zu sehen. Ein Gedankenexperiment besagt, dass es 100 Jahre dauern würde, bis man in einem Teilchenbeschleuniger, der so schwer wie der Jupiter ist, ein Graviton nachweisen könnte. In der Zwischenzeit denken Theoretiker über die Natur der grundlegendsten Elemente des Universums nach.
Eine Theorie, die so genannte Schleifen-Quantengravitation, zielt darauf ab, den Konflikt zwischen Teilchen und Raumzeit zu lösen, indem Raum und Zeit in kleine Teile zerlegt werden – eine ultimative Auflösung, über die hinaus kein Zoomen stattfinden kann.
Die Stringtheorie, ein weiterer populärer Ansatz, verfolgt einen anderen Ansatz und tauscht die Teilchen gegen faserartige Strings aus, die sich mathematisch besser verhalten als ihre punktförmigen Gegenstücke. Diese einfache Änderung hat komplexe Konsequenzen, aber eine nette Eigenschaft ist, dass die Schwerkraft einfach aus der Mathematik herausfällt. Selbst wenn Einstein und seine Zeitgenossen die allgemeine Relativitätstheorie nie entwickelt hätten, so Engelhardt, wären die Physiker später durch die Stringtheorie auf sie gestoßen. „
Und die Stringtheoretiker haben in den letzten Jahrzehnten weitere Hinweise darauf gefunden, dass sie auf einem fruchtbaren Weg sind, so Engelhardt. Einfach ausgedrückt: Die Idee des Raums selbst könnte die Physiker von einer grundlegenderen Struktur des Universums ablenken.
In den späten 1990er Jahren entdeckten Theoretiker, dass die Beschreibung eines einfachen, kastenförmigen Universums mit Schwerkraft mathematisch äquivalent zu einem Bild eines flachen Universums ist, das nur die Quantenphysik (und keine Schwerkraft) enthält. Die Möglichkeit, zwischen den Beschreibungen hin- und herzuspringen, deutet darauf hin, dass der Raum möglicherweise kein grundlegender Bestandteil des Kosmos ist, sondern eher ein Nebeneffekt, der sich aus der Wechselwirkung von Teilchen ergibt.
So schwer es für uns Sterbliche, die wir in die Struktur des Raums eingebettet sind, auch vorstellbar sein mag, die Beziehung zwischen Raum und Teilchen ist vielleicht so etwas wie die zwischen Raumtemperatur und Luftmolekülen. Früher dachten die Physiker, Wärme sei eine Flüssigkeit, die von einem warmen in einen kühlen Raum fließt, aber die Entdeckung der Moleküle zeigte, dass das, was wir als Temperatur empfinden, aus der Durchschnittsgeschwindigkeit der Luftmoleküle „entsteht“. Der Weltraum (und entsprechend die Schwerkraft) könnte in ähnlicher Weise unsere großräumige Erfahrung eines kleinräumigen Phänomens darstellen. „Innerhalb der Stringtheorie gibt es derzeit ziemlich gute Hinweise darauf, dass der Raum tatsächlich emergent ist“, so Engelhardt.
Das Kastenuniversum der Stringtheorie hat jedoch eine andere Form als das, was wir sehen (obwohl Engelhardt sagte, dass dieser Unterschied nicht unbedingt ein Problem darstellt, da die Quantengravitation bei allen möglichen Formen des Universums auf die gleiche Weise wirken könnte). Selbst wenn die Lehren aus dem Kastenuniversum in der Realität zutreffen, bleibt der mathematische Rahmen grob. Die Physiker sind weit davon entfernt, ihre theoretischen Bindungen zum Weltraum zu kappen und eine genaue Beschreibung der Quantengravitation in all ihrer holprigen Pracht zu erreichen.
Während sie weiterhin an den erheblichen mathematischen Macken ihrer jeweiligen Theorien arbeiten, hegen einige Physiker die Hoffnung, dass ihre astrophysikalischen Beobachtungen sie eines Tages in die richtige Richtung stoßen könnten. Bislang ist noch kein Experiment von den Vorhersagen der allgemeinen Relativitätstheorie abgewichen, aber in Zukunft könnte eine Reihe von Gravitationswellendetektoren, die für viele Wellengrößen empfindlich sind, das subtile Flüstern der Gravitonen auffangen. Allerdings, so Engelhardt, „würde mein Instinkt eher den Kosmos als die Teilchenbeschleuniger betrachten“
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