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News: Kein Schaum im Raum-Zeit-Kontinuum

Zu den größten Herausforderungen der modernen Physik gehört, die Allgemeine Relativitätstheorie und die Quantenmechanik unter einen Hut zu bringen. Der Nachweis einer Quantengravitation wäre ein bedeutender Schritt auf dieses Ziel zu. Doch so wie es aussieht, ist die Raum-Zeit auch im absoluten Minimaßstab zu glatt, um entsprechenden Messungen einen Erfolg zu gönnen.
Während seiner Arbeit zur Theorie der Strahlung schwarzer Körper entdeckte Max Planck (1858-1947) quasi nebenbei, dass die Natur für einige Größen wie Länge, Zeit, Masse und Energie grundlegende Maßeinheiten bereithält. Sie ergeben sich, wenn man die Planck-Konstante mit der Lichtgeschwindigkeit und der Gravitationskonstanten kombiniert, und tragen heutzutage Namen wie Planck-Länge, Planck-Energie und so weiter. In gewisser Hinsicht handelt es sich im wahrsten Sinne des Wortes um "universelle" Kollegen unserer vertrauten Sekunde, Zentimeter und Gramm - gültig im gesamten Kosmos.

Diesen Satz von Maßstäben würden Wissenschaftler heute gerne nutzen, um die Theorien der Quantenmechanik und der Allgemeinen Relativität miteinander zu verknüpfen. Während das eine Modell die Welt des Kleinsten beschreibt, erklärt das andere, was eigentlich Schwerkraft ist - das Bindeglied zwischen beiden könnte die Quantengravitation sein.

Nur leider konnte bislang niemand Anzeichen für dieses Phänomen nachweisen, und es steht zu befürchten, dass direkte Experimente auf der Erde wohl für alle Zeiten undurchführbar bleiben. Denn die notwendige Energie, um die Quantengravitation aus ihrem Loch zu locken, liegt um 16 Größenordnungen über dem, was heutige Teilchenbeschleuniger zu leisten vermögen.

Dochh wenn dies nun einmal nicht direkt geht, dann gibt es vielleicht irgendwo ein Hintertürchen. Das könnte zum Beispiel in einer Verletzung der Lorentz-Invarianz liegen. Die sagt entsprechend der Speziellen Relativitätstheorie aus, dass es im Universum keinen absoluten Bezugspunkt gibt, der festlegt, was sich bewegt und was ruht. Stattdessen sind alle Systeme, die sich mit gleichbleibender Geschwindigkeit relativ zueinander bewegen, gleichwertig. Daher ist beispielsweise für jeden Beobachter das Licht immer gleich schnell.

Für die Welt im Großen mag diese Aussage stimmen - aber wie sieht es bei extrem geringen Strecken oder extrem hohen Energien aus? Bleibt die Raum-Zeit auch dann "glatt", oder erinnert sie vielleicht eher an eine Art "Schaum"?

Wäre die Raum-Zeit im Kleinsten schaumig, hätte das Konsequenzen. Dann würde das Licht bei seiner Ausbreitung einen winzigen Dispersioneffekt zeigen: Die Geschwindigkeit der einzelnen Photonen wäre abhängig von ihrer Wellenlänge. Das würde wiederum ausgesandte Lichtimpulse während ihrer Reise immer stärker deformieren. Und wenn Astronomen eine entfernte Quelle - etwa einen Gammastrahlenausbruch - betrachten, könnten sie diese Abweichungen feststellen. Ein Nachweis der Quantengravitation über mehrere Ecken zwar, aber immerhin ein Nachweis.

Zwei Teams von Wissenschaftlern bemühten sich darum, Verletzungen der Lorentz-Invarianz zu finden. Floyd Stecker vom Goddard Space Flight Center und seine Kollegen untersuchten Gammastrahlung aus den Zentren der Galaxien Markarian 421 und Markarian 501, die rund 450 Millionen Lichtjahre entfernt sind [1]. Unabhängig von ihnen vermaßen Physiker um David Mattingly von der University of Maryland Gammaspektren aus dem Krebs-Nebel [2]. Die Resultate waren in beiden Fällen wenig Hoffnung verheißend: Die Strahlung verhielt sich ganz so, wie es die Lorentz-Invarianz vorhersagt - kein schaumiger Mikrokosmos also.

Allerdings brauchen die Wissenschaftler noch nicht ganz aufzugeben. Denn in die Auswertung der Daten floss eine Annahme ein, die zwar äußerst plausibel ist, sich eventuell aber doch als unzutreffend erweisen könnte. Und außerdem haben die beiden Teams nur einen der einfachsten Fälle geprüft. Vielleicht sind die Verhältnisse in Wirklichkeit viel verwickelter, und die Quantengravitation hat sich nur besser versteckt. Für Optimisten gibt es somit weiter einige Chancen auf das ersehnte Hintertürchen.

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