Wie lassen sich die beiden widersprüchlichen Säulen der modernen Physik in Einklang bringen: Quantentheorie und Gravitation? Lange Zeit glaubten Wissenschaftler, dass die Wissenschaft diese oder jene Theorie früher oder später als dominant anerkennen würde, aber die Realität erwies sich wie immer als viel interessanter. Neue Forschungsergebnisse legen nahe, dass die Schwerkraft durch zufällige Schwankungen auf Quantenebene entstehen kann.
Unter den beiden grundlegenden Theorien, die die Realität um uns herum erklären, befasst sich die Quantentheorie mit den Wechselwirkungen zwischen den kleinsten Teilchen der Materie, während sich die allgemeine Relativitätstheorie auf die Schwerkraft und die größten Strukturen im gesamten Universum bezieht. Seit den Tagen Einsteins haben Physiker versucht, die Lücke zwischen diesen Lehren zu schließen, jedoch mit unterschiedlichem Erfolg.
Eine Möglichkeit, die Schwerkraft mit der Quantenmechanik in Einklang zu bringen, bestand darin, zu zeigen, dass die Schwerkraft auf unteilbaren Materieteilchen, Quanten, basiert. Dieses Prinzip kann damit verglichen werden, wie die Lichtquanten selbst, Photonen, eine elektromagnetische Welle darstellen. Bisher hatten Wissenschaftler nicht genügend Daten, um diese Annahme zu stützen, aber Antoine Tilloy (Antoine Tilloy) vom Institut für Quantenoptik. Max Planck in Garching versuchte, die Schwerkraft mit den Prinzipien der Quantenmechanik zu beschreiben. Aber wie hat er das gemacht?
Quantenwelt
In der Quantentheorie wird der Zustand eines Teilchens durch seine Wellenfunktion beschrieben. So können Sie beispielsweise die Wahrscheinlichkeit berechnen, ein Partikel an dem einen oder anderen Punkt im Raum zu finden. Vor der Messung selbst ist nicht nur unklar, wo sich das Partikel befindet, sondern auch, ob es existiert. Die Tatsache der Messung schafft buchstäblich Realität, indem sie die Wellenfunktion "zerstört". Die Quantenmechanik befasst sich jedoch selten mit der Messung, weshalb sie eines der umstrittensten Gebiete der Physik ist. Denken Sie an Schrödingers Paradoxon: Sie können es erst lösen, wenn Sie eine Messung durchführen, indem Sie eine Schachtel öffnen und herausfinden, ob die Katze lebt oder nicht.
Eine Lösung für diese Paradoxien ist das sogenannte GRW-Modell, das Ende der 1980er Jahre entwickelt wurde. Diese Theorie beinhaltet ein Phänomen wie "Flares" - spontane Zusammenbrüche der Wellenfunktion von Quantensystemen. Das Ergebnis seiner Anwendung ist genau das gleiche, als ob die Messungen ohne Beobachter als solche durchgeführt würden. Tilloy modifizierte es, um zu zeigen, wie es verwendet werden kann, um zu einer Gravitationstheorie zu gelangen. In seiner Version erzeugt ein Blitz, der die Wellenfunktion zerstört und das Teilchen dazu zwingt, sich an einem Ort zu befinden, zu diesem Zeitpunkt in der Raumzeit auch ein Gravitationsfeld. Je größer das Quantensystem ist, desto mehr Teilchen enthält es und desto häufiger treten Fackeln auf, wodurch ein schwankendes Gravitationsfeld entsteht.
Das Interessanteste ist, dass der Durchschnittswert dieser Schwankungen das Gravitationsfeld ist, das Newtons Gravitationstheorie beschreibt. Dieser Ansatz zur Vereinigung der Schwerkraft mit der Quantenmechanik wird als quasi-klassisch bezeichnet: Die Schwerkraft entsteht aus Quantenprozessen, bleibt aber eine klassische Kraft. „Es gibt keinen wirklichen Grund, den quasi-klassischen Ansatz zu ignorieren, bei dem die Schwerkraft auf einer fundamentalen Ebene von grundlegender Bedeutung ist“, sagt Tilloy.
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Das Phänomen der Schwerkraft
Klaus Hornberger von der Universität Duisburg-Essen in Deutschland, der sich nicht an der Entwicklung der Theorie beteiligt hat, behandelt sie mit großer Sympathie. Der Wissenschaftler weist jedoch darauf hin, dass es notwendig sein wird, eine Reihe von Problemen zu lösen, bevor dieses Konzept die Grundlage einer einheitlichen Theorie bildet, die die Natur aller grundlegenden Aspekte der Welt um uns herum vereint und erklärt. Zum Beispiel kann Tilloys Modell definitiv verwendet werden, um die Newtonsche Schwerkraft zu erhalten, aber seine Entsprechung zur Gravitationstheorie muss noch mithilfe der Mathematik überprüft werden.
Der Wissenschaftler selbst stimmt jedoch zu, dass seine Theorie eine Evidenzbasis benötigt. Zum Beispiel sagt er voraus, dass sich die Schwerkraft je nach Größe der betreffenden Objekte unterschiedlich verhalten wird: Für Atome und für supermassereiche Schwarze Löcher können die Regeln sehr unterschiedlich sein. Wie auch immer, wenn Tests ergeben, dass Tillroys Modell tatsächlich die Realität widerspiegelt und die Schwerkraft tatsächlich eine Folge von Quantenfluktuationen ist, können Physiker die Realität um uns herum auf einer qualitativ anderen Ebene erfassen.
Wassili Makarow
