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Schleifenquantengravitation: Die kleinsten Stückchen Raum und Zeit

Setzen sich Raum und Zeit wirklich aus winzigsten Quanten zusammen? Die Schleifenquantengravitation behauptet das, lässt sich aber nur schwer überprüfen.
Loop Quantum Gravity

Veröffentlicht am: 08.08.2018

Laufzeit: 0:09:07

Sprache: englisch

Untertitel: englisch

Das US-Forschungszentrum Fermi National Accelerator Laboratory bei Chicago ist vor allem durch das 2011 stillgelegte Tevatron bekannt, den bis zur Inbetriebnahme des LHC weltgrößten Teilchenbeschleuniger.

Schon seit vielen Jahren rätseln die Theoretiker, die sich mit den Grundlagen der Physik beschäftigen, in welche Richtung sich ihre Disziplin in Zukunft entwickeln wird. Sie stehen nämlich vor einem eigenartigen Problem: Das, was sich messen lässt, entspricht ganz ausgezeichnet den Vorhersagen der Theorie. Weder Experimente an Teilchenbeschleunigern noch Beobachtungen aus der Astrophysik widersprechen den etablierten Theorien. Gleichzeitig gibt es eine ganze Reihe von offenen Fragen – etwa bezüglich der Dunklen Materie und der Dunklen Energie –, für die es im Rahmen der etablierten Theorien keine Antworten gibt.

Von den neuen Theorien, die wirklich fundamentale Fragen nach der Struktur von Raum und Zeit und ihrem Zusammenhang mit der Materie beantworten, gehört neben der Stringtheorie die Schleifenquantengravitation zu den am weitesten entwickelten Kandidaten. Noch ist zwar nicht gesagt, ob eine dieser Theorien sich eines Tages als Fundament auch für die Quantenphysik und für die Relativitätstheorie erweisen wird. Aber wie der bekannte Teilchenphysiker Don Lincoln in diesem Video des Fermilab gewohnt sauber und gekonnt erklärt, besitzt diese Theorie einige sehr interessante Aspekte.

Eine der Grundannahmen der Schleifenquantengravitation ist, keine besonderen Annahmen über die Struktur der Raumzeit zu machen. In fast allen physikalischen Theorien spricht man von einer bestimmten Struktur  – außer in der Relativitätstheorie, in der die Raumzeit »flexibel« wird. Außerdem geht die Schleifenquantengravitation davon aus, dass das, was einem bestimmten Punkt im Raum passiert, nur von diesem Punkt abhängt und nicht von weit entfernten. Eine erstaunliche Konsequenz dieser Theorie ist nun, wie sich anhand dieser sehr allgemeinen Annahmen zeigen lässt, dass Raum und Zeit quantisiert sein müssen – das heißt, sie liegen in bestimmten kleinsten Einheiten vor.

In der Mathematik kann man eine Strecke immer weiter unterteilen und erhält beliebig kleine Stücke. Wenn die Schleifenquantengravitation Recht hat, stößt die Physik bei dieser Unterteilung aber irgendwann an eine Grenze. Diese ist zwar unglaublich klein, brächte aber die interessante philosophische Einsicht mit sich, dass Raum und Zeit letztlich »körnig« sind. Ein solches Raumquant wäre im Verhältnis zu einem Atomkern ähnlich winzig wie der Atomkern im Vergleich zu der Strecke, die Licht in einem Monat zurücklegt – eine Strecke dutzende Male größer als unser Sonnensystem. Raum und Zeit wären also auf unglaublich kleinen Skalen quantisiert. Außerdem hängen diese winzigen Raumquanten netzwerkartig wie Schleifen zusammen, daher der Name Schleifenquantengravitation. Die Veränderungen des Netzes wiederum ergeben die Zeit. Philosophisch interessant ist die Tatsache, dass die vernetzten Raumquanten sich nicht irgendwie in Raum und Zeit befinden, sondern ihre vernetzte, veränderliche Struktur ergibt erst Raum und Zeit.

Aber so spannend die Theorie auch ist, das Problem bei der Schleifenquantengravitation liegt darin, dass sie sich kaum überprüfen lässt. Mit den größten heute verfügbaren Teilchenbeschleunigern können die Wissenschaftler zwar bereits deutlich in subatomare Bereiche vordringen und sogar Strukturen im Atomkern aufklären. Die kleinsten räumlichen Einheiten der Schleifenquantengravitation liegen aber nochmals viele Größenordnungen darunter und werden auch mit sehr viel stärkeren Teilchenbeschleunigern nie erreicht werden. Allerdings sagt die Theorie voraus: Licht unterschiedlicher Wellenlänge pflanzt sich mit minimal unterschiedlicher Geschwindigkeit durch das Weltall fort. Man sollte also bei extrem weit entfernten Ereignissen eine leicht verschobene Ankunftszeit der verschiedenen Lichtkomponenten nachweisen können, was bislang jedoch nicht gelang.

Dafür konnte die Schleifenquantengravitation einige theoretische Probleme lösen, so lässt sich mit ihr etwa auch die Hawking-Strahlung beschreiben. Sie wird von Forschern aber noch sehr kontrovers diskutiert. Man darf gespannt sein, ob diese neuen Ideen die Forschung hier in den kommenden Jahren voranbringen – oder ob diese Theorie im Mülleimer gescheiterter Ansätze landet. Wie Don Lincoln sagt, wäre das nicht schlimm, solange der Weg dahin genügend interessante Erkenntnisse mit sich bringt.

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