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Quantenfeldtheorie: Die Grundkräfte der Welt

Seit mehr als 90 Jahren fußt die Teilchenphysik auf Quantenfeldtheorien, allerdings bereitet der Ansatz Fachleuten viele Probleme. Deshalb haben sie ausgeklügelte Tricks entwickelt, um den hartnäckigen Gleichungen doch noch einige Geheimnisse zu entlocken.
Wellenlinien aus Lichtquanten

Anfang des 20. Jahrhunderts geriet die Physik ins Schwanken. Prinzipien, die unantastbar schienen, wurden verworfen und das herkömmliche Weltbild nahm völlig neue Züge an: Einerseits schockierte Albert Einstein mit seinen Relativitätstheorien, wonach Raum und Zeit keineswegs statisch sind, sondern sich dehnen und krümmen lassen. Etwa zur selben Zeit wandelte sich mit der Entstehung der Quantenmechanik auch die Vorstellung des Mikrokosmos. Die Grenzen zwischen Teilchen und Wellen verschwammen, zudem wirkte die Natur nicht mehr länger deterministisch, sondern vom Zufall bestimmt. Handfeste Beobachtungsgrößen wie die Geschwindigkeit oder der Aufenthaltsort eines Objekts mussten einer Wahrscheinlichkeitsverteilung weichen.

Obwohl die neuen Konzepte unserer alltäglichen Erfahrung widerstreben, beschreiben sie das Universum erstaunlich gut. Doch schnell fiel Fachleuten auf, dass sich einige Phänomene nicht auf diese Weise erklären lassen. Ein Beispiel dafür ist die spontane Emission, die Albert Einstein bereits 1917 vorhersagte und die Grundlage für Laser bildet …

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Spektrum - Die Woche – Von der Entropie zur Quantengravitation

Die Verbindung von Schwerkraft und Quanten ist ein zentrales Rätsel der Physik. Die Informationstheorie liefert Antworten – und vielleicht den Schlüssel zur Quantengravitation. Außerdem: Eine Revolution des Bauens? Carbonbeton benötigt im Vergleich zu Stahlbeton nur einen Bruchteil des Materials.

Sterne und Weltraum – Raumzeit: Experimente zur Quantennatur

Die Relativitätstheorie Albert Einsteins ist das Meisterwerk zur Beschreibung der Schwerkraft. Seit Jahrzehnten steht aber die Frage im Raum, ob die Gravitation auf submikroskopischen Längenskalen modifiziert werden muss. Gibt es quantenhafte Austauschteilchen, die Gravitonen? In unserem Titelbeitrag stellen wir Überlegungen vor, wie man experimentell eine Quantennatur der Raumzeit testen könnte. Im zweiten Teil unseres Artikels zur Urknalltheorie beleuchten wir alternative Ansätze zur Dunklen Energie: das Local-Void- und das Timescape-Modell. Außerdem: Teil zwei unserer Praxistipps für die Astrofotografie mit dem Smartphone – Mond und Planeten im Fokus, die Ordnung im Chaos des Dreikörperproblems und woher stammen erdnahe Asteroiden?

Spektrum der Wissenschaft – Eine Theorie von allem: Lassen sich Quantenphysik und Schwerkraft vereinen?

Lassen sich Quantenphysik und Schwerkraft vereinen? In der aktuellen Ausgabe der PMT haben wir Beiträge für Sie zusammengestellt, in denen Forscherinnen und Forscher über die Ergebnisse ihrer Suche nach einer fundamentalen Theorie unserer Welt berichten. Entstanden ist eine erkenntnisreiche Sammlung an Beiträgen über die Quantennatur der Raumzeit, denkbaren Experimenten zum Nachweis von Gravitonen, Schwarzen Löchern, der Theorie der Quantengravitation, teleparalleler Gravitation und vielem mehr. Lesen Sie, welche Fortschritte es in den letzten Jahren gab, die Gesetze der Quantenwelt mit den geometrischen Konzepten von Raum und Zeit zu vereinigen, und welche Hürden dabei noch zu überwinden sind.

  • Quellen

Haymaker, R. W.: Confinement studies in lattice QCD. Physics Report 315, 1999

LHCb collaboration: Observation of an exotic narrow doubly charmed tetraquark. ArXiv 2109.01038, 2021

Niedermaier, M., Reuter, M.: The asymptotic safety scenario in quantum gravity. Living Review Relativity 9, 2006

Wetterich, C.: Exact evolution equation for the effective potential. Physical Letters B 301, 1993

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